Photovoltaik: Erhöhte Effizienz durch Low-Bandgap Polymere

Eines der Grundprobleme der Photovoltaik besteht darin, dass Solarzellen nur Licht aus einem relativ kleinen Spektralbereich nutzen können. Um im Halbleiter der Solarzelle vom elektrisch nicht leitenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand überzugehen, muss die dem Elektron zugeführte Energie innerhalb eines exakt definierten Intervalls liegen. Die untere Grenze dieses Intervalls wird als Bandgap bezeichnet. Das Bandgap gibt also an, wie viel Energie dem Elektron mindestens zugeführt werden muss, damit es zum Strom der Solarzelle beitragen kann. Diese Energie erhält es, indem es ein Photon des einfallenden Sonnenlichts absorbiert.

Die Energie eines Photons ist direkt proportional zu seiner Frequenz, Photonen aus dem roten Spektrum haben also weniger Energie als die aus dem blauen. Für klassische kristalline Solarzellen reicht die Energie roten Lichts nicht, um ein Elektron anzuregen. Das gesamte rote und infrarote Licht trägt also zur Leistung der Solarzelle überhaupt nichts bei.

Low-Bandgap Polymere

Ein Forscherteam der Ludwig-Maximilians-Universität München hat in Kooperation mit weiteren Universitäten Low-Bandgap Polymere untersucht, die in organischen Solarzellen eingesetzt werden können. Wie der Name schon vermuten lässt, zeichnen sie sich durch ein sehr kleines Bandgap aus. Hier reicht auch die Energie roten Lichts, um ein Elektron in den leitenden Zustand zu befördern. Ein weiterer Vorteil der neuen Materialien ist leider etwas kompliziert: Bei der Trennung der Elektronen von ihren Atomen entstehen deutlich häufiger so genannte Polaronen. Dabei handelt es sich um Elektronen, die bei der Bewegung durch den Kristall benachbarte Atomkerne anziehen und benachbarte Elektronen abstoßen. Diese elektrische Polarisation der Umgebung nehmen sie auf ihrem gesamten Weg mit, sie ist sozusagen untrennbar mit dem Elektron verbunden. Die Kombination aus Elektron und polarisierter Umgebung wird als Polaron bezeichnet. Ein Polaron verhält sich wie ein Elektron mit größerer Masse, das sich träger bewegt. Daher ist der Spannungsverlust bei der Erzeugung eines Polarons geringer als bei einem frei beweglichen Elektron. Die hohe Zahl an Polaronen ist die eigentliche Innovation, denn Tandem Solarzellen sind bereits bekannt. Diese enthalten zwei Licht absorbierende Schichten, von denen eine im roten Spektralbereich arbeitet. Das Ziel besteht darin, deren Effizienz zu steigern.

Bislang noch Grundlagenforschung

Der Weg bis zu tatsächlich einsatzfähigen Solarzellen auf Grundlage von Low-Bandgap Polymeren ist noch weit. Die eigentliche Entdeckung besteht darin, dass durch eine geeignete Zusammensetzung der Polymerketten die Zahl der Polaronen signifikant erhöht werden kann. Im aktuellen Experiment betrug sie 25 Prozent der Gesamtzahl der erzeugten Ladungsträger. Das ist eine signifikante Steigerung gegenüber den üblichen einstelligen Prozentwerten. Aber es ist erst der erste Schritt in diese Richtung, nicht der letzte.