Solarzellen: Oxford findet Halbleiter, der Ladungen hält – Verluste rund 75 % kleiner
Wismutsulfid absorbiert Licht stark und verliert die erzeugten Ladungen trotzdem langsam. Das umgeht laut einer „Nature“-Studie einen alten Zielkonflikt bei Solarmaterialien.
Symbolbild · Foto: USGS / Wikimedia Commons, Public domain (zugeschnitten und skaliert)
In Solarzellen setzt Licht Elektronen frei; Strom entsteht nur, wenn sie eingesammelt werden, bevor sie sich wieder mit den zurückgebliebenen „Löchern“ vereinen. Seit Gustav Kirchhoff 1860 zeigte, dass ein guter Lichtabsorber auch ein guter Strahler ist, gilt: Halbleiter, die Licht stark schlucken, verlieren ihre Ladungen meist besonders schnell. Perowskite absorbieren stark, verlieren Ladungen aber rasch; Silizium hält sie länger, absorbiert aber deutlich schwächer.
Physiker der Universität Oxford um Laura Herz haben mit Kollegen der Universität Wuhan gezeigt, dass Wismutsulfid diesen Zielkonflikt umgeht. Dünne Schichten wurden mit ultrakurzen Laserpulsen angeregt und mit Terahertz-Spektroskopie von Raumtemperatur bis knapp über den absoluten Nullpunkt vermessen. Knapp unterhalb des starken Absorptionswegs liegt ein zweiter, schwacher Weg, in dem sich Ladungen sammeln und nur langsam verloren gehen. Anders als bei den meisten Halbleitern verschwanden die Ladungen bei Kälte langsamer. Bei Raumtemperatur sinkt die Verlustrate nach Schätzung des Teams um etwa 75 Prozent gegenüber ähnlich stark absorbierenden Materialien. Die Studie erschien am 28. Oktober in „Nature“.
„Unsere Arbeit zeigt, dass dieser Zielkonflikt nicht unvermeidlich ist“, sagt Herz. Die Forschenden betonen, dass sie einen physikalischen Mechanismus nachgewiesen haben und noch keine fertige Solarzelle. Ähnliche Materialien ließen sich in Datenbanken suchen oder durch Dehnen geschichteter Kristalle erzeugen. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom britischen EPSRC und dem Unternehmen Oxford PV.