Physiker entwickeln neues Design für Solarzellen für eine bessere Effizienz

20. Februar 2024

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von der Universität Paderborn

Physiker der Universität Paderborn haben komplexe Computersimulationen genutzt, um ein neues Design für deutlich effizientere Solarzellen als bisher verfügbar zu entwickeln. Eine dünne Schicht organischen Materials, das als Tetracen bekannt ist, ist für die Steigerung der Effizienz verantwortlich. Die Ergebnisse wurden nun in Physical Review Letters veröffentlicht.

'Die jährliche Energie der Sonnenstrahlung auf der Erde beläuft sich auf über eine Billion Kilowattstunden und übersteigt damit die globale Energie-Nachfrage um mehr als das 5.000-fache. Photovoltaik, d.h. die Erzeugung von Elektrizität aus Sonnenlicht, bietet daher ein großes und noch weitgehend ungenutztes Potenzial für die Bereitstellung sauberer und erneuerbarer Energie. Silizium-Solarzellen, die derzeit für diesen Zweck verwendet werden, dominieren den Markt, haben jedoch Effizienzgrenzen,' erklärt Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Physiker und Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften an der Universität Paderborn. Ein Grund dafür ist, dass ein Teil der Energie aus der Kurzwellenstrahlung nicht in Elektrizität, sondern in unerwünschte Wärme umgewandelt wird.

Schmidt erläutert: 'Um die Effizienz zu steigern, kann die Silizium-Solarzelle beispielsweise mit einer organischen Schicht versehen werden, die beispielsweise aus dem Halbleiter Tetracen besteht. Kurzwelliges Licht wird in dieser Schicht absorbiert und in hochenergetische elektronische Anregungen, sogenannte Exzitonen, umgewandelt. Diese Exzitonen zerfallen im Tetracen in zwei niederenergetische Anregungen. Wenn es gelingt, diese Anregungen erfolgreich an die Silizium-Solarzelle zu übertragen, können sie effizient in Elektrizität umgewandelt und der Gesamtertrag an nutzbarer Energie erhöht werden.'

Entscheidender Durchbruch für schnellen Energietransfer

Der Anregungstransfer von Tetracen in Silizium wird von Schmidts Team mit komplexen Computersimulationen am Paderborner Zentrum für Paralleles Rechnen (PC2), dem Hochleistungsrechenzentrum der Universität, untersucht. Ein entscheidender Durchbruch wurde nun erzielt: In einer gemeinsamen Studie mit Dr. Marvin Krenz und Prof. Dr. Uwe Gerstmann, beide von der Universität Paderborn, haben die Wissenschaftler gezeigt, dass spezielle Defekte in Form von ungesättigten chemischen Bindungen an der Grenzfläche zwischen der Tetracen-Schicht und der Solarzelle den Exzitonen-Transfer dramatisch beschleunigen.

Schmidt bemerkt: 'Solche Defekte treten beim Desorption von Wasserstoff auf und verursachen elektronische Grenzflächenzustände mit schwankender Energie. Diese Schwankungen transportieren die elektronischen Anregungen aus dem Tetracen in das Silizium wie ein Aufzug.'

Solche 'Defekte' in Solarzellen sind tatsächlich mit Energieverlusten verbunden. Dies macht die Ergebnisse des Physiker-Trios umso erstaunlicher.

'Im Fall der Silizium-Tetracen-Grenzfläche sind die Defekte entscheidend für den schnellen Energietransfer. Die Ergebnisse unserer Computersimulationen sind wirklich überraschend. Sie liefern auch präzise Hinweise für das Design eines neuen Typs von Solarzelle mit deutlich gesteigerter Effizienz,' so Schmidt.

Bereitgestellt von Universität Paderborn