Hochenergetischer Sonnenstrom

Forscher des Elektronikherstellers Sharp haben das Labordemo einer Solarzelle vorgestellt, die einen Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent erreichen könnte.

Noch immer lässt der Wirkungsgrad von Solarzellen zu wünschen übrig, verglichen mit anderen Energietechnologien. Selbst die besten Zellen können nur weniger als ein Drittel des einfallenden Sonnenlichts in Strom umwandeln. Theoretische Modelle von Physikern zeigen jedoch, dass hier noch deutlich mehr drin wäre. Forscher des Elektronikherstellers Sharp haben nun für eines dieser Modelle eine technische Lösung vorgestellt. Sollte sie sich zur Marktreife entwickeln lassen, könnte sich die Stromausbeute von Solarzellen verdoppeln.

Die Wissenschaftler fanden heraus, wie sich ein ärgerliches Phänomen in der Photovoltaik umgehen lässt. Treffen Photonen auf das Halbleitermaterial, setzen sie auch hochenergetische Elektronen in Bewegung, die ihre Energie jedoch nach wenigen Pikosekunden wieder als Wärme abgeben. Damit ist die Energie für die Stromproduktion verloren.

Der Sharp-Gruppe gelang es, diese Elektronen zu nutzen, bevor sie ihre Energie verlieren. Damit erhöhte sich die elektrische Spannung in der Zelle deutlich. Das Demonstrationsobjekt - eine "Hot-Carrier-Zelle" – ist zwar noch weit von einer praktischen Umsetzung entfernt, weil das verwendete Material zu dünn ist, um nennenswerte Lichtmengen zu absorbieren. Aber sie konnten zum ersten Mal überhaupt einen Strom aus den hochenergetischen Elektronen gewinnen. Theoretisch könnten diese den Wirkungsgrad einer Zelle auf 60 Prozent steigern.

Damit könnte im Idealfall Solarstrom irgendwann wettbewerbsfähig gegenüber fossil erzeugter Elektrizität werden. Hocheffiziente Solarzellen würden die Installationskosten senken, die derzeit häufig höher sind als die Herstellung der Zellen selbst.

Solche exotischen physikalischen Ansätze lassen sich nur realisieren, wenn man das Verhalten bestimmter Materialien genau versteht und diese auch mit ausreichender Genauigkeit herstellen kann. Die Demo-Zelle von Sharp wurde möglich dank der Herstellung hochwertiger, wenige Nanometer dicker Halbleiterschichten. Aufgrund dieser geringen Dicke können hochenergetische Elektronen das Material verlassen und zum Stromfluss beitragen, bevor sie ihre Energie als Wärme abgeben.

Ein anderer Ansatz für sehr hohe Wirkungsgrade ist, verschiedene Arten von Solarzellen zu stapeln. Auch dies gelingt bisher nur in Prototypen, die sehr teuer sind. MIT-Ingenieure wiederum arbeiten an Möglichkeiten, auch mit organischen Halbleiterverbindungen hohe Wirkungsgrade zu erzielen, indem sie die Übergänge der Elektronen zwischen verschiedenen Energiezuständen untersuchen.

Bislang befinden sich all diese Konzepte noch in einem frühen Stadium. Sharp-Forscher James Dimmock geht jedoch davon aus, dass der Ansatz seiner Gruppe zur Verbesserung existierender Solarzelltechnologien genutzt wird und nicht dazu, ganz neue Zellen zu konstruieren. (nbo)