Mehr Power aus Sonnenlicht: FAU-Forscher entwickeln neuartige Farbstoff-Solarzelle

Will Deutschland die gesteckten Klimaschutzziele erreichen, dann führt an der konsequenten Erschließung regenerativer Energiequellen kein Weg vorbei. Eine der wichtigsten, nahezu unbegrenzt verfügbaren „grünen“ Energiequellen ist die Sonne, deren Strahlung in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.

Moderne Solarzellen, die im Kern aus Siliziumlagen bestehen, sind technisch ausgereift und durch industrielle Massenproduktion vergleichsweise preiswert, haben jedoch einen Nachteil: Sie erzielen einen maximalen Wirkungsgrad von 33 Prozent. Die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze legt zwar eine interne Energieausbeute von 100 Prozent zugrunde, weil ein Photon des Sonnenlichts theoretisch ein Elektron des Siliziumgitters anregen kann.

Allerdings führen externe Faktoren zu erheblichen Energieverlusten: Reflexionen an Ober- und Grenzflächen, elektrische Widerstände und die Tatsache, dass nicht das gesamte Spektrum des sichtbaren Sonnenlichts optimal genutzt werden kann.

„Die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von 30 Prozent – damit ist die Technologie so gut wie ausgereizt“, erklärt Dr. Andreas Kunzmann vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I. „Neue Impulse kann nur ein alternativer technologischer Ansatz bringen.“

Singulett-Spaltung verdoppelt Ladungsträger

Genau diesen alternativen Ansatz verfolgt das Team um Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Dirk Guldi: Da sich die externen Energieverluste einer Solarzelle nur bis zu einem gewissen Grad verringern lassen, setzen die Forscher bei der primären Energieausbeute an. Sie nutzen das Prinzip der sogenannten Singulett-Spaltung, bei der ein einfallendes Lichtteilchen nicht nur ein, sondern zwei Elektronen anregt.

Neu ist dieses Prinzip nicht, allerdings konnte der Prozess bislang nur in Lösung oder hochkristallinen Materialien nachgewiesen werden – keine optimale Voraussetzung für den Einsatz in Solarmodulen. In Zusammenarbeit mit Chemikern der University of Alberta, Kanada, gelang den Erlanger Wissenschaftlern nun ein praktikablerer Aufbau.

Sie synthetisierten ein neuartiges Pentacen-Molekül – eine Kohlenwasserstoffverbindung im festen Aggregatzustand, die als organischer Farbstoff das Sonnenlicht absorbiert. Kombiniert wird das Pentacen mit einer aus Indium-Zink-Oxid bestehenden Photoelektrode und einem Elektrolyt aus Lithium und Jod. Dr. Andreas Kunzmann: „Dieser Aufbau bringt die Singulett-Spaltung vom Reich der Grundlagenforschung in den Bereich der Anwendung.“

Interne Quantenausbeute bei 130 Prozent

Mit der Singulett-Spaltung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen könnte die interne Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen theoretisch verdoppelt werden. Aktuell erreichen die Erlanger Chemiker durchschnittlich 130 Prozent. „Momentan halten wir die Spannung sehr niedrig, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Energieverluste aufweist“, erklärt Dr. Kunzmann.

„Wenn wir diese Verlustprozesse besser kontrollieren, können wir auch die Effizienz weiter erhöhen.“ Parallel dazu arbeiten die Forscher an der Langlebigkeit ihrer Entwicklung, um die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen.

Dr. Andreas Kunzmann
Tel.: 09131 /85-67468
andreas.kunzmann@fau.de

Prof. Dr. Dirk M. Guldi
Tel.: 09131/85-27340
dirk.guldi@fau.de

doi: 10.1002/anie.201801041
„Singlet Fission for Photovoltaics with 130 % Injection Efficiency“, „Angewandte Chemie”