- Niederländische Forscher haben entdeckt, dass zinnbasierte Perowskit-Solarzellen den Wärmeverlust verlangsamen können.
- Die Studie zeigt, dass die Energie heißer Elektronen auf Nanosekunden verlängert werden kann, was die Effizienzgrenze anhebt.
- Ein „Hot-Phonon-Bottleneck" und der Burstein-Moss-Effekt verlangsamen gemeinsam den Abkühlungsprozess.
- Zinnbasierte Materialien sind ungiftig und umweltfreundlich und eignen sich für hocheffiziente Solarenergieumwandlung.
Forscher der Universität Groningen in den Niederlanden haben herausgefunden, dass zinnbasierte Perowskit-Solarzellen den Wärmeverlust hochenergetischer „heißer Elektronen" verlangsamen können, was es ermöglichen könnte, die Effizienz von Solarzellen über die theoretische Grenze von 33 % hinaus zu steigern. Wenn Sonnenlicht auf ein Panel trifft, werden durch die Photonen die Elektronen in Bewegung versetzt. Die energiereichsten Photonen erzeugen übermäßig aufgeladene heiße Elektronen. Theoretisch sollten diese Hochspannungs-Energiequellen mehr Strom erzeugen. In der Praxis existieren diese hochenergetischen Teilchen jedoch nur für extrem kurze Zeit, da sie innerhalb einer billionstel Sekunde schnell abkühlen und die überschüssige Energie als Abwärme abgeben, bevor sie das Solarzellenmaterial verlassen können.
Jan Anton Koster, Professor für Physik neuartiger Halbleiter und Bauelemente an der Universität Groningen, erklärte: „Das bedeutet, dass Energie verloren geht, bevor die heißen Elektronen das Solarzellenmaterial verlassen."
Durchbruch bei der Verlängerung der Energie heißer Elektronen
Das Forschungsteam arbeitete mit Maria Antonietta Loi, Professorin für Lichtphysik und Photonik, zusammen und baute einen Versuchsaufbau auf. Unter Verwendung eines speziellen Solarzellenmaterials namens zinnbasiertes Perowskit vollbrachte Lois Labor eine Leistung, die viele für unmöglich hielten: Die Verlangsamung des Wärmeverlusts um das 1.000-fache. Plötzlich hielt die überschüssige Energie für die Dauer von Nanosekunden an, anstatt im Bereich von Pikosekunden zu verschwinden. Skeptiker äußerten sofort Zweifel, und sogar die Forscher selbst zweifelten an ihren eigenen Daten.
Koster räumt ein: „Wir haben sogar angefangen, unsere eigenen Messungen anzuzweifeln." Um dieses Rätsel zu lösen, erstellten Koster und der Doktorand Tim Faber digitale Simulationen, die tief in die Quantenebene eindrangen und einen überraschenden doppelten Wirkmechanismus aufdeckten.
Erstens schuf das „Hot-Phonon-Bottleneck" eine Wärmefalle. Während die Elektronen Wärme abgaben, erwärmte sich die Umgebung so schnell, dass die Elektronen schließlich die von ihnen selbst verlorene Wärme wieder aufnahmen. Zweitens erzeugte der „Burstein-Moss-Effekt" einen atomaren Stau. Da die Zustände niedriger Energie bereits von angeregten Elektronen überfüllt waren, wurden die nach unten führenden Wege blockiert. Diese beiden Mechanismen verlangsamten gemeinsam den Abkühlungsprozess, wobei die Simulationen perfekt mit den im Labor beobachteten Verzögerungen im Nanosekundenbereich übereinstimmten.
Eigenschaften zinnbasierter Perowskite
Diese Studie, die Monte-Carlo-Simulationen in Kombination mit zeitaufgelöster Photolumineszenz einsetzte, zeigt, dass Bandauffüllung in Verbindung mit dem Hot-Phonon-Bottleneck-Effekt die extrem langen Abkühlzeiten heißer Ladungsträger in zinnbasierten Metallhalogenid-Perowskiten erklärt. Durch fortschrittliche Computersimulationen und lichtbasierte Messungen stellten die Forscher fest, dass zinnbasierte Solarmaterialien überschüssige Energie viel länger speichern können als gewöhnlich. Diese Spezialmaterialien könnten zum Bau einer neuen Generation hocheffizienter Solarzellen verwendet werden. Zinnbasierte Metallhalogenid-Perowskite sind ungiftige, umweltfreundliche kristalline Materialien, die sich für eine effiziente Solarenergieumwandlung eignen.
Diese fortschrittlichen Halbleiter besitzen eine spezielle dreidimensionale Kristallstruktur, in der Zinnionen mit Halogenen sowie organischen oder anorganischen Bestandteilen kombiniert sind. Das Material weist eine ungewöhnlich geringe Elektronenmasse auf, wodurch Ladungen schnell wandern und zusätzliche Wärmeenergie über lange Zeiträume gehalten werden kann. Diese breite Lichtabsorption, die effiziente Ladungsbewegung und die verlängerte Energiespeicherfähigkeit machen diese Materialien zu idealen Kandidaten für die nächste Generation von Solarzellen. Es wird noch einige Zeit dauern, bis kommerzielle Solarzellen diese anhaltende Wärmeenergie einfangen können. „Es müssen noch viele andere Fragen beantwortet werden, aber theoretisch könnte diese Entdeckung es ermöglichen, effizientere Solarzellen zu entwickeln, die die theoretische Grenze von 33 % überschreiten",
sagte das Forschungsteam. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift „ACS Energy Letters" veröffentlicht.
Potenzielle Auswirkungen dieser Forschung auf die Solartechnologie
Die bahnbrechenden Erkenntnisse dieser Studie sind für die Zukunft der Solartechnologie von großer Bedeutung. Durch die Verlängerung der Verweildauer der Energie heißer Elektronen könnten die Forscher die Effizienz von Solarzellen über die derzeitige theoretische Grenze hinaus steigern, was positive Auswirkungen auf die Entwicklung erneuerbarer Energien hätte. Zinnbasierte Perowskitmaterialien sind nicht nur umweltfreundlich, sondern könnten im Zuge der Kommerzialisierung auch eine höhere Energieumwandlungseffizienz bieten, was eine breitere Anwendung und technologische Innovation fördern würde.