HZB-Forscher wollen Wirkungsgrad-Grenze für Silizium-Solarzellen auf 40 Prozent erhöhen

Silizium-Multiplikatorsolarzelle mit organischen Kristallen

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Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben einen Weg gefunden, die Wirkungsgrad-Grenze von Silizium-Solarzellen zu erhöhen. Diesen Weg beschreiben sie gemeinsam mit internationalen Kollegen im Fachmagazin Materials Horizon. Wegen ihrer physikalischen Materialeigenschaften liegt die theoretische Grenze bei 29,3 Prozent. Den Forschern zufolge lässt sich dieser theoretisch maximale Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle jedoch auf rund 40 Prozent steigern – mit Hilfe von in die Solarzelle eingebauten organischen Schichten.

Normalerweise erzeugt in einer Solarzelle ein einfallende Lichtteilchen immer ein Ladungsträgerpaar. Wie das Team um HZB-Forscher Klaus Lips jetzt mitteilt, ist es ihnen gelungen, die Solarzelle so zu bauen, dass bestimmte Photonen aus dem Lichtspektrum jeweils zwei Ladungsträgerpaare auf einmal erzeugen können. Dafür nutzen sie einen Effekt namens Singlet exciton fission (SF), der in bestimmten organischen Molekülkristallen auftritt und wirksam wird, wenn alle Eigendrehimpulse der Ladungsträgerpaare parallel ausgerichtet sind und sie sich in einem sogenannten Triplettzustand befinden. Diese Triplett-Exzitonen sind den Forschern zufolge recht langlebig und sehr stark aneinander gebunden. Eine Schwierigkeit sei daher, die Triplett-Paare aus dem organischen Material an der Grenzfläche zu Silizium auseinander zu reißen, sodass die frei werdenden positiven und negativen Ladungsträger zum Strom der Solarzelle beitragen können.

Wie die Forscher weiter mitteilen, konnten sie in einem richtungsweisenden Experiment zeigen, dass die Trennung der Triplett-Paare möglich ist und die Quantenausbeute pro Photon auf 200 Prozent verdoppelt werden kann. Damit lasse sich der theoretisch maximale Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle auf etwa 40 Prozent steigern.

Bei ihrem Experiment haben die Forscher eine 100 Nanometer dünne organische Schicht aus Tetracene-Kristallen in die Oberfläche einer Silizium-Solarzelle integriert und in der Tetracene-Schicht mit spektroskopischen Untersuchungen die Triplett-Ladungsträgerpaare nachgewiesen. „Die Herausforderung bestand darin, die Tetracene-Schicht so einzubauen, dass der Stromfluss der Siliziumsolarzelle nicht nennenswert gestört wird“, sagt Klaus Lips. Die Trennung sei mit einem zusätzlich eingebrachten organischen Leiter namens PEDOT:PSS gelungen.

Die Messergebnisse der ersten Silizium-Multiplikatorsolarzelle mit der organischen Huckepack-Schicht zeigen den Forschern zufolge deutlich, dass Tetracene den blau-grünen Anteil des Lichts absorbiert und Silizium die energieärmeren Photonen. Aufgrund einer Simulation gehen die Forscher davon aus, dass derzeit zirka fünf bis zehn Prozent der erzeugten Triplett-Paare dem Solarstrom zugefügt werden konnten. „Der zusätzliche Stromfluss, der durch die Huckepackschicht erzeugt wird, ist in dem aktuell vorgestellten Experiment zwar noch nicht sehr groß“, so Lips: „Jedoch haben wir mit dieser Solarzellenstruktur gezeigt, dass der Ansatz prinzipiell funktioniert. Und wir wissen bereits, was wir tun müssen, um die Ausbeute an getrennten Triplett-Exzitonen auf bis zu 200 Prozent erhöhen zu können.“