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Neue Metalllegierung für Solarzellen soll Rekord-Wirkungsgrade ermöglichen

Zwei Leitungsbänder fangen mehr Sonnenlicht ein als eines


Die gängigen Solarzellen aus Silizium setzen etwa 15 Prozent des Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Eine neue Metalllegierung aus Zink, Mangan, Tellur und einer Prise Sauerstoff könnte den Wirkungsgrad auf über 50 Prozent erhöhen. Zu diesem Schluss kommen Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory. Das meldet das Fachmagazin Science in seiner Online-Ausgabe.

Das Prinzip der Solarzellen beruht auf dem photoelektrischen Effekt, für dessen theoretische Erklärung Albert Einstein den Physik-Nobelpreis des Jahres 1921 erhielt. Trifft ein Lichtteilchen – ein Photon – auf ein Elektron, dann kann seine Energie vollständig auf das Elektron übertragen werden.

Die Quantenmechanik erlaubt den an Atomen gebundenen Elektronen, nur ganz bestimmte Energiewerte anzunehmen. Ein einzelnes Atom kann von Elektronen deshalb nur auf ganz bestimmten Bahnen umkreist werden. Alle Zwischenwerte sind verboten. In Festkörpern verschmelzen die einzelnen Bahnen der verschiedenen Atome zu so genannten "Energiebändern". Auch zwischen den Bändern gibt es verbotene Energiebereiche, die kein Elektron besetzen kann.

In Halbleitern, aus denen Solarzellen bestehen, ist das oberste Energieband voll mit Elektronen besetzt. Die Folge: Halbleiter verhalten sich zunächst wie Isolatoren. Es kann kein elektrischer Strom fließen, weil die Elektronen keine freien Plätze finden und deshalb nicht fließen können.

Doch die Photonen aus dem Sonnenlicht können Elektronen in das nächsthöhere Energieband befördern. Dort haben sie genügend Platz und können sich frei bewegen. Durch das "Verunreinigen" eines Halbleiters mit Fremdatomen erzeugt man innerhalb des Halbleiters ein permanentes elektrisches Feld. Sobald freie Elektronen in den Einflussbereich dieses Feldes gelangen, folgen sie dem "Gefälle" des Feldes. Wenn man jetzt noch einen äußeren Stromkreis an die Solarzelle anschließt, fließt Strom.

Aber auf diese Weise kann nur die Energie solcher Photonen in Strom umgewandelt werden, die ein Elektron gerade ein Energieband höher befördern. Photonen mit zuviel oder zuwenig Energie haben keine Wirkung. Somit wird nur ein Bruchteil der Energie aus dem Spektrum des Sonnenlichts in Strom verwandelt. Wünschenswert wäre es deshalb, wenn man Materialien mit mehreren verschieden weit voneinander entfernten Energiebändern zur Verfügung hätte.

Genau solch ein Material haben Kin Man Yu und seine Kollegen jetzt hergestellt. Ihre Metalllegierung hat zwei freie Energiebänder. Damit können Photonen aus drei Energiebereichen des Lichtspektrums in Strom verwandelt werden, nämlich solche, die Elektronen in das erste, in das zweite oder vom ersten in das zweite Energieband befördern. Die Forscher haben berechnet, dass eine aus ihrem Material bestehende Solarzelle einen Wirkungsgrad von 45 Prozent hätte. Variationen des Sauerstoffanteils könnten den Wirkungsgrad sogar auf über 50 Prozent steigern.

Yu und Kollegen werden ihre Ergebnisse in einer der kommenden Ausgaben der Physical Review Letters veröffentlichen.