Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature-Veröffentlichung befasst sich mit Photovoltaik - Energie-Barriere überwinden

27.08.2012
Wenn Solarzellen Sonnenenergie in Strom umwandeln, ist ihr Wirkungsgrad begrenzt. Um das Limit zu umgehen und mehr Leistung zu bekommen, kann man die Elektron-Loch-Paare spalten, die jedes Sonnenlichtteilchen erzeugt.
Diesen „Aus eins mach zwei und mehr“-Vorgang bezeichnet man in organischen Molekülen als Singulett Spaltung. Obschon seit langem bekannt, wurde er nie vollständig verstanden. Internationale Forscher zeigen jetzt, dass klassische Modelle, die den Prozess beschreiben, nicht ausreichen. Experimentalphysiker Dr. Manuel Ligges von der Uni Duisburg-Essen (UDE), Prof. Xiaoyang Zhu und Dr. Wai-Lun Chan von der University of Texas, Austin, erklären in der Nature Chemistry warum.

Um es vorwegzunehmen: Die Arbeit der Wissenschaftler wird die Entwicklung der Photovoltaik nicht auf den Kopf stellen. Doch um mehr aus der konventionellen Technik herauszuholen – sie hat derzeit einen Wirkungsgrad von 20-25 Prozent –, muss man natürlich die Mechanismen verstehen. Ligges und seine Kollegen aus Austin haben einen Schritt in diese Richtung getan.

Und darum geht es genau: In einer handelsüblichen Solarzelle erzeugt jedes Lichtteilchen, sprich Photon, ein Elektron-Loch Paar, welches aufbrechen kann und somit zu einem Stromfluss führt. Es kann aber maximal nur rund 30 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie umgewandelt werden. Dieses so genannte „Shockley-Queisser-Limit“ lässt sich jedoch umgehen. Etwa so: „Man erzeugt zunächst ein Elektron-Loch-Paar hoher Energie, das dann anschließend in zwei oder mehrere Paare niedriger Energie zerfällt. Man nennt sie Multi-Exzitonen und den Prozess Singulett Spaltung oder englisch: Singlet Fission“, erklärt Manuel Ligges, der u.a. dank eines Leopoldina-Stipendiums für acht Monate an der University of Texas geforscht hat.

„Die bisher verwendeten Modelle zur Beschreibung des Prozesses gehen davon aus, dass die Spaltung entweder exothermisch oder endothermisch stattfinden“, erklärt der 32-Jährige weiter. „Das heißt, es wird entweder Energie bei der Spaltung frei oder man muss welche hinzufügen, um das primär angeregte Elektron-Loch Paar zu teilen.“

Genau mit letzterem Fall haben sich die drei Wissenschaftler beschäftigt. „In einem endothermischen Prozess müsste die Effizienz der Spaltung sehr stark von der Temperatur abhängen. Ein solches Verhalten konnten wir aber nicht feststellen. Die klassischen Modelle sind somit nicht haltbar.” Eine weitere Arbeit des Trios, über die das renommierte Magazin Science bereits berichtete, stützt diesen Befund.

„Wir haben ein ganz anderes Verhalten beobachtet. Es lässt darauf schließen, dass das primär angeregte Elektron-Loch Paar kohärent an den Endzustand, also das Multi-Exziton, koppelt. Dieser Sachverhalt lässt sich nur schwer mit einfachen Worten erklären”, so Ligges. „Er besagt im Grunde, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen verschwimmt. Dagegen ist man bisher davon ausgegangen, dass das Elektron von einem Zustand zum anderen ‚hüpft‘, was es eben nicht macht.“

Was bleibt also zu tun? Will man ergründen, was beim Spaltungs-Prozess im Detail abläuft, müssen die klassischen Modelle überarbeitet werden. Dann könnte in fünf bis zehn Jahren Jahren tatsächlich die Effizienz von Solarzellen über das konventionelle Limit von 30 Prozent gesteigert werden, prognostiziert Experimentalphysiker Ligges vorsichtig. „Man muss nun von theoretischer Seite darangehen und die Erkenntnisse auch technisch umsetzen.“ Für ihn sind die Arbeiten auf diesem Gebiet abgeschlossen. Er beschäftigt sich zurzeit u.a. mit quantenphysikalischen Fragen der Nanowelt.

Wai-Lun Chan, Manuel Ligges, X-Y. Zhu: The energy barrier in singlet fission can be overcome through coherent coupling and entropic gain, in: Nature Chemistry, 19. August 2012. doi: 10.1038/nchem.1436. Eine Printversion erscheint in Heft Nr. 4.

Weitere Informationen: Dr. Manuel Ligges,
Tel. 0203/379-4547, manuel.ligges@uni-due.de

Redaktion: Ulrike Bohnsack, Tel. 0203/379-2429

Katrin Koster | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-due.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Ein leistungsfähiges Lasersystem für anspruchsvolle Experimente in der Attosekunden-Forschung
19.07.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Solarenergie unterstützt Industrieprozesse
17.07.2017 | FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie