Mit Singulett-Spaltung zu mehr Leistung

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Neu ist das Prinzip der Singulett-Spaltung zwar nicht: Bei diesem Prozess regt ein einfallendes Lichtteilchen nicht nur ein Elektron an, sondern zwei. Neu ist allerdings, dass Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in Zusammenarbeit mit Chemikern der kanadischen University of Alberta ein neuartiges Pentacen-Molekül synthetisieren konnten – eine Kohlenwasserstoffverbindung im festen Aggregatzustand, die als organischer Farbstoff das Sonnenlicht absorbiert. Dieses Pentacen haben die Wissenschaftler mit einer aus Indium-Zink-Oxid bestehenden Photoelektrode und einem Elektrolyt aus Lithium und Jod kombiniert und damit aus ihrer Sicht die Singulett-Spaltung vom Reich der Grundlagenforschung in den Bereich der Anwendung gebracht.

Mit ihrem neuen Verfahren wollen die Wissenschaftler die Leistungsfähigkeit von Solarzellen deutlich steigern. „Die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von 30 Prozent – damit ist die Technologie so gut wie ausgereizt“, sagt Andreas Kunzmann vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I. „Neue Impulse kann nur ein alternativer technologischer Ansatz bringen.“ Da sich die externen Energieverluste einer Solarzelle nur bis zu einem gewissen Grad verringern lassen, haben die Forscher bei der primären Energieausbeute angesetzt und sich auf die Singulett-Spaltung konzentriert. Bislang konnte dieser Prozess nur in Lösung oder hochkristallinen Materialien nachgewiesen werden, laut FAU keine optimale Voraussetzung für den Einsatz in Solarmodulen. Praktikabler hingegen sei der jetzt entwickelte Aufbau mit Hilfe eines Pentacen-Moleküls.

Nach Meinung der Forscher könnte mit der Singulett-Spaltung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen die interne Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen theoretisch verdoppelt werden. Die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze besagt, dass Solarzellen mit nur einem Licht-Absorptionsprozess maximal 33 Prozent des sichtbaren Sonnenlichts verwerten können – darüber hinaus können nur Mehrfachzellen kommen, wie sie zum Beispiel im Weltraum eingesetzt werden und die relativ teuer sind. Das ist selbst dann der Fall, wenn die so genannte Quantenausbeute bei 100 Prozent liegt, also pro Lichtteilchen ein Elektron angeregt wird, da sich die Energieausbeute von der Quantenausbeute unterscheidet.

Dank Singulett-Spaltung erreichen die Erlanger Chemiker eigenen Angaben nun aber eine Quantenausbeute von durchschnittlich 130 Prozent. Das bedeutet, das ein Teil der einfallenden Lichtteilchen nicht nur ein Elektron anregt, sondern zwei. Im Prinzip kann damit die Energieausbeute gesteigert werden, auch wenn das derzeit noch nicht der Fall zu sein scheint. „Momentan halten wir die Spannung sehr niedrig, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Energieverluste aufweist“, erklärt Kunzmann. „Wenn wir diese Verlustprozesse besser kontrollieren, können wir auch die Effizienz weiter erhöhen.“ Parallel dazu werde an der Langlebigkeit der Entwicklung gearbeitet, um die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.