Eindeutiger Quanteneffekt in Silizium-Nanokristallen gefunden

Wissenschaftler des staatlichen Labors für erneuerbare Energien (NREL – National Renewable Energy Laboratory) des US-Energieministeriums (DOE – Department of Energy) haben in Zusammenarbeit mit Innovalight, Inc. gezeigt, dass ein neuer und entscheidender Effekt, der als mehrfache Exzitonerzeugung (MEG – Multiple Exciton Generation) bezeichnet wird, in Silizium-Nanokristallen in effizienter Weise stattfindet. MEG führt zur Bildung von mehreren Elektronen je absorbiertem Photon.

Silizium ist das in heutigen Solarzellen überwiegend verwendete Halbleitermaterial und hat am Markt der fotovoltaischen Zellen einen Anteil von über 93%. Bis zu dieser Entdeckung wurde das Eintreten von MEG in den vergangenen beiden Jahren nur für Nanokristalle (auch Quantenpunkte genannt) von Halbleitermaterialien gemeldet, die in kommerziellen Solarzellen zur Zeit nicht eingesetzt werden und die umweltschädliche Materialien (wie Blei) enthalten. Das neue Ergebnis öffnet die Tür für eine mögliche Anwendung der MEG zu einer ausserordentlichen Steigerung der Konversionseffizienz von Silizium-Solarzellen, da mehr Sonnenenergie in Elektrizität umgewandelt wird. Das ist ein entscheidender Schritt für eine im Hinblick auf die Kosten wettbewerbsfähige Solarenergie mit konventionellen Energiequellen.

In einem Dokument, das am 24. Juli in der ersten Online-Version des American Chemical Society's Nano Letters Journal (siehe
http://pubs3.acs.org/acs/journals/doilookup?in_doi=10.1021/nl071486l)
veröffentlicht wurde, berichtete ein Team von NREL, dass Silikon-Nanokristalle oder Quantenpunkte, die von Innovalight gewonnen wurden, aus einzelnen Photonen des Sonnenlichts, die Wellenlängen von weniger als 420 nm aufweisen, mehrere Elektronen erzeugen können. Wenn bei den heutigen fotovoltaischen Solarzellen ein Photon des Sonnenlichts absorbiert wird, gehen etwa 50% der anfallenden Energie als Wärme verloren. MEG bietet einen Weg, um etwas von dieser als Wärme verlorenen Energie in zusätzliche Elektrizität umzuwandeln.

Die von Innovalight, Inc., einem Entwickler von Dünnschicht-Solarzellen mit Sitz in Santa Clara im US-Bundesstaat Kalifornien, erzeugten Silikon-Nanokristalle wurden vom NREL im Rahmen einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des NRELs und Innovalight untersucht. Dem NREL-Team gehörten Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson und Arthur J. Nozik an.

Die Forschungsergebnisse stellen eine wichtige Erweiterung der verfügbaren Halbleitermaterialien, die MEG aufweisen, dar und sind eine weitere Bestätigung der Pionierarbeit von Nozik, der im Jahr 1997 vorhergesagt hatte, dass Halbleiterquantenpunkte eine effiziente Vervielfachung von Elektronen darstellen und demzufolge die Effizienz von Solarzellen erhöhen könnten.

Bis heute beruhten alle Versuche, die eine Erzeugung mehrerer Elektronen je absorbiertem Photon gezeigt hatten, auf verschiedenen Arten der optischen Spektroskopie. In einem Solarzellengerät ist es erforderlich, die Elektronen, die in den Quantenpunkten erzeugt werden, zu extrahieren und diese dann über einen externen Kreislauf weiterzuleiten, um elektrische Energie zu erzeugen. Derartige Versuche werden derzeit von NREL, Innovalight sowie anderen Labors zur Erbringung des Nachweises durchgeführt, dass MEG tatsächlich zu einer erweiterten Effizienz von Solarzellen führen kann. Die bei NREL von Mark Hanna und Nozik durchgeführten Berechnungen haben gezeigt, dass die maximale theoretische Effizienz von Quantenpunktsolarzellen mit einer optimalen MEG bei normalem, unkonzentriertem Sonnenlicht etwa 44% und bei durch einen Faktor von 500 mit Speziallinsen oder Spiegeln konzentriertem Sonnenlicht 68% beträgt. Die heute gebräuchlichen Solarzellen, die ein Elektron je Photon erzeugen, haben unter denselben solaren Bedingungen eine maximale Effizienz von jeweils 33% und 40%.

Zusätzlich zur effizienten Extrahierung der Elektronen aus den Quantenpunkten in Solarzellen zielt die zukünftige Forschung darauf, MEG bei Wellenlängen zu erzeugen, die eine grössere Überlappung mit dem Sonnenspektrum aufweisen und – bei abnehmender Wellenlänge der Photone – einen wesentlich schärferen Anfang der MEG-Prozesse herbeiführen.

NREL ist das wichtigste staatliche Labor zur Erforschung und Entwicklung erneuerbarer Energien und Energieeffizienz des US-Energieministeriums. Die Forschung von NREL wurde von den DOE-Bereichen Office of Science (Wissenschaftssekretariat), Office of Basic Energy Sciences (Sekretariat für fundamentale Energiewissenschaften), Division of Chemical Sciences, Geosciences and Biosciences (Abteilung für chemische Wissenschaften, Geo- und

Biowissenschaften) finanziert. Das NREL wird für DOE vom Midwest Research Institute und von Battelle geleitet.