Forscher stopfen Graphen voll Licht: Solarzellen bis 90 Prozent Wirkungsgrad möglich

Licht enthält eine Menge Energie, bisherige Solarzellen können jedoch nur einen Bruchteil davon in nutzbare Energie umwandeln. Auch die fortschrittlichsten Solarzellen erreichen nur einen Wirkungsgrad von knapp 30 Prozent.

Forscher des Moskau Instituts für Physik und Technologie (MIPT) und der Vladimir State University sind dennoch optimistisch, dass sie diesen Wert verdreifachen können. Dabei erzielte die von ihnen verwendete Methode bislang mit bis zu 10 Prozent Effizienz eher schwache Ergebnisse. Große Mengen Strom wird aber auch die neue, in „Laser & Photonics Reviews“ vorgestellte Erfindung (noch) nicht liefern.

Die kleinste „Solarzelle“ der Welt

Die Manipulation von Licht im Nanobereich – in der Größenordnung von 10^-9 – ist entscheidend, um ultrakompakte Geräte für die Umwandlung und Speicherung optischer Energie herstellen zu können, schreiben die Forscher um Professor Alexei Prokhorov, leitender Forscher am MIPT-Zentrum für Photonik und 2D-Materialien und außerordentlicher Professor an der Staatlichen Universität Wladimir. Um Licht auf einer so kleinen Skala zu lokalisieren, wandeln Forscher optische Strahlung in sogenannte Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (surface plasmon-polariton, SPP) um.

Diese SPPs sind Schwingungen, die sich entlang der Grenzfläche zwischen zwei Materialien ausbreiten. Abhängig von den gewählten Materialien variieren die Oberflächenwellen. Am stärksten sind sie bei Licht, das auf ein nur eine Atomlage dickes Material trifft, zum Beispiel Graphen. Jedoch erreicht auch hier die Effizienz der Umwandlung nicht mehr als 10 Prozent. Signalverstärker – Nanoobjekte verschiedener chemischer Zusammensetzungen und Geometrien – können diesen Wert etwas steigern.

Auch Prof. Prokhorov greift auf diese Technik zurück. Gemeinsam mit seinen Kollegen verwendete er Halbleiter-Quantenpunkte mit einer Größe von 5 bis 100 Nanometern – ein menschliches Haar ist etwa 50.000 Nanometer dick. Das Material der Punkte unterscheidet sich dabei kaum von üblichen Halbleitern, die optischen Eigenschaften variieren jedoch erheblich mit seiner Größe.

Durch Veränderung seiner Dimensionen können Forscher ihn also auf die gewünschte Wellenlänge abstimmen. Da natürliches Licht ein breites Spektrum umfasst, reagieren Quantenpunkte unterschiedlicher Größe dementsprechend unterschiedlich und können, ähnlich wie mehrschichtige Solarzellen, mehrere Wellenlängen des Lichts nutzen.

Links (a): Quantenpunkte (rot) gibt es in verschiedenen Formen und chemischen Zusammensetzungen. Die Punkte befinden sich über der Oberfläche von Graphen (Atomgitter), das wiederum auf einem Trägermaterial liegt (hellgrau). Ein Puffer (grün) trennt sie vom Graphen. Rechts (b): Quantenpunkte und SPP-Wellen schwingen auf unterschiedlichen Energieniveaus. Foto: Mikhail Gubin et al./Laser & Photonics Reviews

Gute Schwingungen und „gedoptes“ Graphen steigern Effizienz

Die Idee der Signalverstärker ist nicht neu, das Prinzip ihrer Wechselwirkung schon. Statt wie bisher Quantenpunkte so zu gestalten, dass sie sowohl mit Licht als auch mit der Oberfläche in einer gemeinsamen Wellenlänge schwingen, entkoppelten die russischen Forscher die beiden Teile. Ein solches System lasse sich zwar relativ einfach auf EINE Resonanz abstimmen, sei aber anfällig für Erwärmung und ungewollte Streuung. Infolgedessen lag die Effizienz der Umwandlung von Licht in Schwingung nicht über 10 Prozent.

„Wir untersuchten ein Schema, bei dem ein Quantenpunkt […] sowohl mit einfallendem Licht als auch mit der [Oberflächenwelle] wechselwirkt“, erklärte Prof. Prokhorov. Die Frequenzen dieser beiden Wechselwirkungen sind jedoch unterschiedlich. Der Quantenpunkt wird dabei von der Wellenlänge des ihn beleuchtenden Lichts angeregt, während die Oberflächenschwingung durch die Resonanz mit dem Quantenpunkt bestimmt wird.

„Wir haben mit einer Reihe von […] Quantenpunkten sowie mit verschiedenen Arten von Graphen gearbeitet“, erklärte Prochorow. „Neben reinem Graphen gibt es auch dotiertes Graphen, das Elemente aus den Nachbargruppen des Periodensystems enthält.“ Die maximale Effizienz erzielten die Forscher schließlich mit derartig gedoptem Graphen und 40 nm großen Quantenpunkten aus Indiumantimonid (InSb).

Trotz des hocheffizienten Energieeintrags in Graphen ist die Intensität der resultierenden Wellen extrem gering. Daher muss eine große Anzahl von Punkten in einer bestimmten Anordnung über der Graphenschicht verwendet werden. In ihrer Studie berichtet das Team, dass sie eine solche Geometrie entdeckt und ein Signal in Graphen gemessen haben, das um Größenordnungen stärker war als bei zufällig angeordneten Quantenpunkten.

Solarzellen mit über 90 Prozent Wirkungsgrad

Anhand der Energie des eingestrahlten Lichtes und der Intensität der Schwingungen berechneten die Forscher einen Wirkungsgrad von bis zu 90 bis 95 Prozent. Selbst unter Berücksichtigung aller denkbaren negativen Faktoren sinke dieser Wert nicht unter 50 Prozent. Fünfmal so viel wie bisherige SPP-Umwandlung und mehr als doppelt so hoch wie handelsübliche Solarzellen.

Zum Vergleich: Der theoretisch maximale mögliche Wirkungsgrad klassischer Solarzellen (Tandemzellen aus Silizium und Perowskit) beträgt etwa 35 Prozent. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass Solarzellen bereits Strom erzeugen können, während die Entwicklung aus Russland noch in den energetischen Kinderschuhen steckt. Vielversprechend sind die Schwingungen trotzdem.

„Ein großer Teil dieser Forschung konzentriert sich auf die Schaffung ultrakompakter Geräte, die in der Lage wären, Lichtenergie […] mit hoher Effizienz und in sehr kleinem Maßstab im Weltraum umzuwandeln und dadurch Lichtenergie in irgendeiner Struktur aufzuzeichnen“, sagte der Direktor des MIPT-Zentrums für Photonik und 2D-Materialien und Koautor Valentyn Volkov.

Darüber hinaus könne man mehrere Atomlagen schichten und so möglicherweise eine ultradünne Batterie entwerfen, so Volkov weiter. Außerdem sei es möglich „den Effekt in Lichtenergiewandlern ähnlich wie bei Solarzellen zu nutzen, jedoch mit einem um ein Vielfaches höheren Wirkungsgrad.“

(Mit Material des Moskau Instituts für Physik und Technologie (MIPT))