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Solarforschung auf dem Weg zu effizienteren Solarzellen

© Fotolia© FotoliaErlangen, Nürnberg - Das Potenzial von gegenwärtigen auf Silizium basierenden Technologien ist inzwischen fast vollständig ausgereizt. Neue Ansätze sind gefragt, erste Lösungsansätze eröffnen vielversprechende Perspektiven.

Das Ziel in der Solarbbranche ist klar: Mehr Strom aus Solarzellen erzielen. Im Fokus der Forscher steht eine weitere Steigerung der Solar-Wirkungsgrade. Die Singulett-Spaltung könnte die Solar-Effizienz deutlich erhöhen. Impulse kommen von der Grundlagenforschung.

Mehr Strom aus Solarzellen mit der Singulett-Spaltung
Die Naturwissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center der Northwestern University im US-amerikanischen Evanston arbeiten gemeinsam an einem Forschungsprojekt zur Singulett Spaltung. Das Verständnis über das Prinzip könnte der Wirkungsgrad-Steigerung bei Solarzellen einen weiteren Schub geben. Die Grundlagenforschung

Aus eins mach zwei angeregte Elektronen mit gespeicherter Energie
Das Prinzip der Singulett-Spaltung (SF) wurde bereits vor rund 50 Jahren entdeckt, doch erst vor knapp zehn Jahren erkannten US-Wissenschaftler das Potenzial der SF für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen. Trifft ein Lichtteilchen aus dem Sonnenlicht auf ein Molekül und wird dort aufgenommen, hebt es das Elektron auf ein höheres Energieniveau. Aus dieser vorübergehend im Molekül gespeicherten Energie kann in Solarzellen elektrischer Strom gewonnen werden. In konventionellen Solarzellen wird im Optimalfall pro Photon ein Elektron als Träger des Stroms generiert. Benutzt man dagegen Dimere ausgewählter chemischer Verbindungen, können gleich zwei Elektronen auf benachbarten Molekülen in einen Zustand höherer Energie versetzt werden. Insgesamt generiert ein Lichtteilchen also zwei angeregte Elektronen, die wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können.

Drei tiefgreifende Erkenntnisse zur Singulett-Spaltung
In ihrer Studie stellten die Wissenschaftler zunächst ein molekulares Dimer aus zwei Pentacen-Einheiten her. Dieser Kohlenwasserstoff gilt als aussichtsreicher Kandidat für die Nutzung von Singulett-Spaltung in Solarzellen. Anschließend bestrahlten sie die Flüssigkeit mit Licht und untersuchten mit unterschiedlichen spektroskopischen Methoden die photophysikalischen Prozesse innerhalb des Moleküls. Die Forscher gewannen dabei drei tiefgehende Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung: Zum einen konnten sie beweisen, dass die Kopplung zu einem energetisch höhergelegenen, ladungspolarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der SF unerlässlich ist. Darüber hinaus verifizierten sie ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie vor Kurzem selbst aufgestellt und publiziert hatten. Und im dritten und letzten Schritt belegten sie die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten.

© IWR, 2018


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15.06.2018

 




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