Derzeit gibt es eine entscheidende Einschränkung bei der Nutzung von Solarenergie: Materialien, die Licht besonders gut absorbieren, sind in der Regel weniger effizient darin, das eingefangene Licht in Elektrizität umzuwandeln. Eine von der Universität Oxford geleitete Studie hat jedoch einen neuartigen Halbleiter identifiziert, der eine zentrale Einschränkung von Lichtsammelmaterialien überwinden und somit effizientere Solarzellen mit höherer Leistung ermöglichen könnte.
Wie Solarzellen Strom erzeugen
Solarzellen basieren auf Halbleitermaterialien, die Sonnenlicht absorbieren und dessen Energie nutzen, um winzige, negativ geladene Teilchen, sogenannte Elektronen, freizusetzen. Dadurch entstehen positiv geladene Lücken, sogenannte Löcher. Um Strom zu erzeugen, müssen diese Ladungen gesammelt werden, bevor ein Elektron und ein Loch aufeinandertreffen und sich gegenseitig aufheben, wodurch die darin enthaltene Energie verloren geht.
Dies stellt eine grundlegende Herausforderung dar. Halbleiter, die Licht stärker absorbieren, verlieren ihre Ladung auch schneller. Dieser Zielkonflikt begrenzt die Effizienz, mit der Solarzellen Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln können.
In der neuen Studie entdeckten die Forscher jedoch, dass Bismutsulfid diesen Zielkonflikt offenbar umgeht. Dies liegt an seiner ungewöhnlichen Anordnung der Energieniveaus, die es ihm ermöglicht, Licht stark zu absorbieren und seine elektrischen Ladungen gleichzeitig langsamer zu verlieren. Dies deutet auf einen neuen Weg zur Entwicklung effizienterer Solarzellen hin.
Ein neues Prinzip für Halbleiter
„Eine der seit Langem bestehenden Herausforderungen bei der Entwicklung effizienter Solarenergiematerialien besteht darin, dass die Eigenschaften, die einen Halbleiter für die Absorption von Sonnenlicht sehr gut machen, auch dazu führen, dass die entstehenden elektrischen Ladungen schnell verschwinden“, sagte die korrespondierende Autorin, Professorin Laura Herz vom Fachbereich Physik der Universität Oxford. „Unsere Arbeit zeigt, dass dieser Zielkonflikt nicht unvermeidlich ist. Indem wir aufgedeckt haben, wie eine ungewöhnliche elektronische Struktur eine starke Lichtabsorption mit einer deutlich langsameren Rekombination kombinieren kann, haben wir ein neues Prinzip für die Entwicklung von Halbleitern identifiziert. Dieses könnte uns dabei helfen, Solarenergie effizienter zu nutzen.“
Das Team regte dünne Wismutsulfidfilme mit extrem kurzen Laserpulsen an und maß anschließend mithilfe der sogenannten ultraschnellen Terahertz-Spektroskopie, wie schnell die entstandenen Ladungen verschwanden. Die Messungen wurden bei Temperaturen von Raumtemperatur bis knapp über dem absoluten Nullpunkt durchgeführt.
Elektronische Strukturrechnungen der Arbeitsgruppe von Professorin Marina Filip am Fachbereich Physik enthüllten die Besonderheit des Materials. Es absorbiert Licht hauptsächlich über einen starken Pfad zwischen Energieniveaus. Knapp darunter befindet sich jedoch ein zweiter, deutlich schwächerer Pfad, über den Ladungen nur langsam verloren gehen. Da die beiden Pfade energetisch so nahe beieinander liegen, halten sich die Ladungen einen Großteil ihrer Zeit in diesen energieärmeren Zuständen auf. Diese wirken wie ein temporäres „Reservoir“ und verlangsamen so ihren Verlust.
Ein Fahrplan für weitere Materialien
„Besonders spannend an dieser Entdeckung ist, dass wir nicht einfach nur eine bestehende Halbleitereigenschaft verbessern, sondern eine andere Art und Weise identifizieren, wie sich Halbleiter verhalten können. Das Verständnis dieses Mechanismus liefert uns einen Fahrplan für die Entdeckung und möglicherweise auch für die Entwicklung anderer Materialien mit ähnlich vorteilhaften Eigenschaften“, sagt Professorin Laura Herz vom Physikalischen Institut der Universität Oxford.
Die Experimente bestätigten dieses Bild. In den meisten Halbleitern geht die Ladungsabgabe beim Abkühlen schneller verloren, in Bismutsulfid hingegen langsamer, da sich dort mehr Ladungen im Reservoir ansammeln. Dies entsprach dem Modell des Teams für einen sogenannten pseudo-direkten Halbleiter. Das Team schätzt, dass diese Anordnung bei Raumtemperatur die Ladungsabgabe im Vergleich zu herkömmlichen Materialien mit ähnlicher Lichtabsorption um etwa 75 Prozent reduziert.
„Der entscheidende Moment war, als wir beobachteten, dass Ladungen in Bismutsulfid länger blieben, je mehr wir das Material abkühlten – genau das Gegenteil von dem, was wir sonst bei Halbleitern sehen“, so der Erstautor Dr. Marcello Righetto, der zuvor an der Universität Oxford tätig war und nun Assistenzprofessor an der Universität Padua ist.
Mögliche Folgen für die Solarenergie
Für die Solarenergie könnte dies in zweierlei Hinsicht von Bedeutung sein. Einerseits haben länger haltbare Ladungen eine höhere Wahrscheinlichkeit, gesammelt zu werden. Dadurch könnte einer der grundlegenden Energieverluste in Solarzellen reduziert werden, ohne die Lichtabsorption zu beeinträchtigen. Zudem könnten länger haltbare Ladungen mehr Zeit für die chemischen Reaktionen ermöglichen, die zur Umwandlung von Sonnenlicht in Brennstoffe notwendig sind.
Die Berechnungen des Teams legen nahe, dass sich durch die Durchsicht von Materialdatenbanken oder durch gezielte Synthese weitere Materialien mit denselben Eigenschaften finden lassen. Die Forscher betonen jedoch, dass die Studie lediglich einen physikalischen Mechanismus aufzeigt und keine fertige Solarzelle darstellt. Es ist nun weitere Forschung notwendig, um diese Erkenntnisse in verbesserte Solarzellentechnologien umzusetzen.
Das Forschungsprojekt war eine internationale Kooperation zwischen der Universität Oxford und der Wuhan-Universität in China. Es wurde vom britischen Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) finanziert und erhielt zusätzliche Unterstützung vom italienischen Ministerium für Universität und Forschung sowie von Oxford Photovoltaics.
