Physiker der Universität Paderborn haben mithilfe von komplexen Computersimulationen ein neues Solarzellen-Design entwickelt, das den Wirkungsgrad von Siliziumzellen steigern soll. Verantwortlich für die Steigerung des Wirkungsgrads ist eine dünne Schicht aus organischem Material, sogenanntes Tetracen. „Silizium-Solarzellen dominieren derzeit den Markt, haben aber Effizienzgrenzen“, sagt Wolf Gero Schmidt, Physiker und Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften an der Universität Paderborn. Ein Grund dafür: Die Energie kurzwelliger Strahlung wird zum Teil nicht in Strom, sondern in unerwünschte Wärme umgewandelt.

„Um den Wirkungsgrad zu steigern, kann man die Silizium-Solarzelle mit einer organischen Schicht versehen, beispielsweise aus dem Halbleiter Tetracen“, sagt Schmidt. „In dieser Schicht wird kurzwelliges Licht absorbiert und in hochenergetische elektronische Anregungen, sogenannte Exzitonen, umgewandelt. Diese Exzitonen zerfallen im Tetracen in jeweils zwei niederenergetische Anregungen. Wenn es gelingt, diese Anregungen in die Silizium-Solarzelle zu übertragen, können sie dort effizient in elektrischen Strom umgewandelt werden und steigern die Gesamtausbeute an nutzbarer Energie.“

Neues Solarzellen-Design mit Fahrstuhl für elektronische Anregungen

Der Anregungstransfer von Tetracen in das Silizium untersucht das Team um Schmidt mittels Computersimulationen am „Paderborn Center for Parallel Computing“ (PC2), dem Hochleistungsrechenzentrum der Universität. Dabei gelang jetzt ein Durchbruch: Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass spezielle Defekte in Form nicht abgesättigter chemischer Bindungen an der Grenzfläche zwischen dem Tetracenfilm und der Solarzelle den Exzitonentransfer dramatisch beschleunigen. „Solche Störstellen entstehen bei der Desorption von Wasserstoff und verursachen elektronische Grenzflächenzustände mit fluktuierender Energie. Diese Fluktuationen transportieren die elektronischen Anregungen vom Tetracen wie ein Fahrstuhl ins Silizium“, sagt Schmidt.

Eigentlich gehen solche Defekte in Solarzellen mit Energieverlusten einher. Umso erstaunlicher sind die Ergebnisse. „Im Fall der Silizium-Tetracen-Grenzfläche sind die Störstellen essenziell für den schnellen Energietransfer. Die Ergebnisse unserer Computersimulationen sind wirklich überraschend. Darüber hinaus liefern sie präzise Hinweise für das Design eines neuen Typs von Solarzellen mit deutlich erhöhtem Wirkungsgrad“, sagt Schmidt.

Bereits 2018 konnten Forscher:innen vom Helmholtz-Zentrum Berlin zeigen, dass ein organischer Film den maximal möglichen Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle auf 40 % anheben kann.

Quelle: Universität Paderborn | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH