Aufgeregter Zustand! - Ein Durchbruch in der Solarzellentechnologie

Solarzellen hatten in der Vergangenheit eine Grenze in ihrer Effizienz. In einer herkömmlichen Solarzelle auf Siliziumbasis würde jedes Lichtphoton, das auf die Oberfläche der Zelle auftreffen würde, ein Elektron freisetzen. Photonen mit größerer Energie würden keinen Unterschied machen, da sie keine zusätzlichen Elektronen anziehen könnten. Forscher haben jetzt eine neuartige Methode entwickelt, um hochenergetische Lichtphotonen zu erhalten, die zwei Elektronen anstelle von einem freisetzen, was Wege für einen neuen Typ von Solarzellen mit größerer Effizienz eröffnet.

Der höchstmögliche theoretische Wirkungsgrad herkömmlicher Solarzellen liegt bei 29,1 %. In den letzten Jahren haben Forscher am MIT und an anderen Orten eine neue Methode entwickelt, um die Effizienz der Zellen zu steigern.

Frühe Demonstrationen

Das Prinzip dieser Technologie ist bekannt und ihre Demonstration wurde bereits durchgeführt. Es dauerte jedoch Jahre, bis diese Technologie einsatzbereit war. Frühere Studien zeigten die Freisetzung von zwei Elektronen aus einem Lichtphoton für organische Photovoltaikzellen. Siliziumsolarzellen sind jedoch effizienter als organische Solarzellen. Als Tests an einer Solarzelle durchgeführt wurden, deren Deckschicht aus Tetracen bestand, war die Übertragung von zwei Elektronen nicht einfach. Obwohl diese Technologie vor 4 Jahrzehnten konzipiert wurde, wird ihre Praktikabilität jetzt Wirklichkeit.

Erregungsprozess

Die Technologie beinhaltet die Verwendung von Exzitonen, einer Gruppe von Materialien, die angeregte Zustände enthalten. Sie ermöglichen die Energieaufteilung eines Photons in zwei Elektronen. Exzitonen sind Energiepakete wie Elektronen, die sich in einem Stromkreis ausbreiten. Sie haben jedoch andere Eigenschaften als Elektronen. In diesem Prozess wird eine Singulett-Exzitonen-Spaltung durchgeführt, bei der Lichtenergie in zwei unabhängige mobile Energiepakete aufgeteilt wird. Siliziumsolarzellen absorbieren ein Photon und bilden ein Exziton, das einer Spaltungsreaktion unterzogen wird, um zwei angeregte Zustände zu bilden, wobei jedes Energiepaket die Hälfte der Energie des Ausgangszustands besitzt.

Herausforderungen lösen

Die Einkopplung der aus Photonen gewonnenen Energie in Silizium war schwierig, da es sich um ein nicht-exzitonisches Material handelt. Das Forscherteam versuchte, die Energie aus der exzitonischen Schicht in winzige Halbleiterpartikel, sogenannte Quantenpunkte, einzukoppeln. Dies war der Durchbruch in der Solarzellentechnologie, bei der sie sowohl anorganisch als auch exzitonisch waren. Dies führte zur Entwicklung einer effizienteren Silizium-Solarzelle.

Rolle der Oberflächenchemie

Die Energieübertragungen sind nicht aufgrund der Masse des Materials möglich, sondern aufgrund der Oberfläche des Materials. Das Forschungsteam konnte die gewünschten Ergebnisse erzielen, da es sich auf die Oberflächenchemie von Silizium konzentrierte. Dies half bei der Bestimmung der dort vorhandenen Oberflächenzustände. Die Lösung liegt in einer dünnen Zwischenschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen der Tetracenschicht und der Siliziumzellschicht befindet. Als Zwischenmaterial wird Hafniumoxynitrid verwendet, das einige Atomlagen dick ist und als Brücke für die Exzitonen fungiert. Diese neue Technologie steigerte den maximalen theoretischen Wirkungsgrad von 29,1 % auf 35 %.

Geltungsbereich

Obwohl eine effiziente Kopplung der beiden Materialien erreicht wurde, ist für diesen Prozess eine weitere Optimierung der Siliziumzellen erforderlich. Es besteht die Notwendigkeit, die Zellen dünner als die gegenwärtigen Versionen zu machen. An der Stabilisierung von Materialien für die Haltbarkeit muss ebenfalls gearbeitet werden. Es würde einige Jahre dauern, bis das Produkt im Handel erhältlich ist. Andere Methoden zur Verbesserung der Effizienz umfassen das Hinzufügen anderer Zelltypen wie Perowskitschichten über Silizium.