Solarzellen: Neuer Halbleiter reduziert Ladungsverluste um 75 %
28. Oktober 2026
Solarzellen verlieren einen Teil der aufgenommenen Sonnenenergie, weil sich elektrische Ladungen wieder aufheben, bevor sie genutzt werden können. Forschende der Universität Oxford haben nun herausgefunden, warum dieser Verlust in Bismutsulfid ungewöhnlich gering ausfällt. Die Rekombination könnte dadurch um rund 75 % langsamer ablaufen.
Ein Halbleiter soll möglichst viel Sonnenlicht aufnehmen und daraus elektrische Energie erzeugen. Dabei gibt es allerdings ein Problem: Materialien, die Licht besonders gut absorbieren, ermöglichen häufig auch eine schnelle Rekombination der erzeugten Ladungsträger. Ein Teil der aufgenommenen Energie geht dadurch verloren.
Forschende der Universität Oxford haben nun einen Mechanismus untersucht, der diesen Zielkonflikt entschärfen könnte. Im Mittelpunkt steht Bismutsulfid (Bi₂S₃), ein bereits bekannter Halbleiter mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften.
Wie das internationale Team am 28. Oktober 2026 im Fachjournal Nature berichtet, kann die besondere Bandstruktur des Materials die sogenannte bimolekulare Rekombination bei Raumtemperatur rechnerisch um etwa 75 % reduzieren. Der Vergleich bezieht sich auf einen ansonsten vergleichbaren Halbleiter mit rein direktem elektronischem Übergang.
Warum Solarzellen elektrische Ladung verlieren
Trifft Sonnenlicht auf eine Solarzelle, können die Photonen Elektronen im Halbleitermaterial anregen. Die Elektronen gelangen dadurch in einen höheren Energiezustand. Zurück bleiben sogenannte Löcher, die sich wie positive Ladungsträger verhalten.
Damit Strom fließt, müssen diese Ladungsträger getrennt und zu den elektrischen Kontakten transportiert werden. Treffen Elektron und Loch vorher wieder zusammen, können sie rekombinieren. Dabei wird Energie frei, die nicht mehr als elektrischer Strom genutzt werden kann.
Wie schnell solche Prozesse ablaufen, hängt unter anderem vom verwendeten Halbleiter ab. Silizium besitzt beispielsweise eine indirekte Bandlücke. Das bedeutet, dass für bestimmte elektronische Übergänge neben der Energie auch ein Impulsaustausch mit dem Kristallgitter erforderlich ist. Dadurch laufen strahlende Rekombinationsprozesse vergleichsweise langsam ab. Allerdings absorbiert Silizium Licht nahe seiner Bandkante weniger stark als viele Halbleiter mit direkter Bandlücke.
Bei direkten Halbleitern wie Galliumarsenid ist die Lichtabsorption besonders effizient. Gleichzeitig sind dort auch strahlende Rekombinationsprozesse leichter möglich. Bismutsulfid vereint Eigenschaften beider Materialgruppen.
Was Bismutsulfid so ungewöhnlich macht
Entscheidend ist die elektronische Bandstruktur. Sie beschreibt vereinfacht, welche Energiezustände Elektronen in einem Festkörper einnehmen können. Bei Bismutsulfid liegt ein stark lichtabsorbierender direkter Übergang energetisch nur etwa 40 meV oberhalb der indirekten Bandlücke. Das Material kann deshalb Sonnenlicht stark aufnehmen, obwohl sein energetisch niedrigster Übergang indirekt ist.
Nach der Anregung können die Ladungsträger in energetisch tiefer liegende Zustände übergehen. Dort ist ihre strahlende Rekombination weniger wahrscheinlich. Die Ladungsträger bleiben deshalb länger erhalten. Die Forschenden sprechen von einem pseudo-direkten Halbleiter. Gemeint ist ein Material, das Licht ähnlich gut wie ein direkter Halbleiter absorbiert, dessen Ladungsträger jedoch von der langsameren Rekombination indirekter Zustände profitieren.
Die Lichtabsorption ist dabei erheblich: Im sichtbaren Spektralbereich erreicht Bismutsulfid Absorptionskoeffizienten von mehr als 100.000 cm⁻¹. „Our work shows that this trade-off is not inevitable“, erklärt Professorin Laura Herz von der Universität Oxford in der Mitteilung zur Studie. Auf Deutsch: Die Forschung zeige, dass dieser Zielkonflikt keineswegs unvermeidlich sei.
Laserpulse machen den Unterschied sichtbar
Um das Verhalten des Materials zu untersuchen, verwendeten die Forschenden dünne Bismutsulfid-Schichten. Diese wurden mit extrem kurzen Laserpulsen angeregt. Anschließend beobachtete das Team mithilfe der zeitaufgelösten Terahertz-Spektroskopie, wie sich die erzeugten Ladungsträger verhielten und wie schnell ihre Anzahl abnahm.
Die Messungen fanden bei unterschiedlichen Temperaturen statt, von Raumtemperatur bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts bei −273,15 °C. Dabei zeigte sich ein ungewöhnlicher Effekt: Beim Abkühlen verlangsamte sich die bimolekulare Rekombination zunächst, statt schneller abzulaufen. Dieses Verhalten deutete darauf hin, dass sich die Ladungsträger zunehmend in den energetisch tiefer liegenden Zuständen aufhielten.
Berechnungen der Forschungsgruppe um Professorin Marina Filip bestätigten die Erklärung. Die geringe Energiedifferenz zwischen den beiden Übergängen sorgt dafür, dass ein erheblicher Teil der Ladungsträger die tiefer liegenden Zustände besetzt. Das verringert die Wahrscheinlichkeit ihrer Rekombination.
Aus den experimentellen Ergebnissen und dem theoretischen Modell ergibt sich für Raumtemperatur eine um etwa 75 % geringere intrinsische bimolekulare Rekombinationsrate gegenüber dem entsprechenden rein direkten Vergleichsfall. Andere Verlustmechanismen, etwa durch Defekte im Material, werden durch diesen Wert nicht erfasst.
Wie schnell sich elektronische Zustände nach der Lichtabsorption verändern können, zeigen auch andere Untersuchungen. Forschende der Universität Graz konnten beispielsweise erstmals die Entwicklung eines Exzitons innerhalb weniger hundert Femtosekunden verfolgen.
Werden Solarzellen dadurch effizienter?
Die Ergebnisse liefern einen neuen Ansatz, um Energieverluste in Solarzellen zu reduzieren. Wenn Elektronen und Löcher länger erhalten bleiben, steigt grundsätzlich die Chance, sie für die Stromerzeugung zu nutzen. Allerdings haben die Forschenden noch keine Solarzelle gebaut, deren Wirkungsgrad durch diesen Mechanismus nachweislich verbessert wurde.
Eine um 75 % geringere Rekombinationsrate bedeutet deshalb auch nicht, dass eine Solarzelle 75 % mehr Strom erzeugt. Wie effizient sie tatsächlich arbeitet, hängt von weiteren Eigenschaften ab. Dazu gehören unter anderem die Beweglichkeit der Ladungsträger, Materialdefekte und die elektrische Kontaktierung. Die Studie beschäftigt sich zunächst mit dem Verhalten eines Halbleitermaterials. Ob sich die Vorteile in einer funktionierenden Solarzelle nutzen lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Auch andere Forschungsgruppen versuchen, die Verluste bei der Umwandlung von Licht in Strom zu reduzieren. So untersuchten Wissenschaftler kürzlich, wie sich die Abkühlung heißer Elektronen in neuartigen Halbleitern verlangsamen lässt. Dort geht es allerdings um einen anderen Verlustmechanismus: Elektronen geben nach der Lichtabsorption überschüssige Energie als Wärme ab.
Welche Wirkungsgrade sich mit neuartigen Materialkombinationen bereits erreichen lassen, zeigt ein weiteres Beispiel: Forschende erzielten mit einer Perowskit-Silizium-Mehrfachsolarzelle einen Wirkungsgrad von 30,02 %.
Neue Materialien gezielt suchen
Für die Forschenden aus Oxford ist Bismutsulfid vor allem deshalb interessant, weil sich aus seinem Verhalten ein allgemeiner Ansatz für die Materialentwicklung ableiten lässt. Statt ausschließlich nach Halbleitern mit möglichst starker Lichtabsorption zu suchen, könnten Wissenschaftler künftig gezielt Materialien untersuchen, bei denen direkte und indirekte elektronische Übergänge energetisch eng beieinanderliegen.
Mithilfe von Computersimulationen und Materialdatenbanken lassen sich entsprechende Kandidaten identifizieren. Die Berechnungen des Forschungsteams deuten darauf hin, dass auch andere Verbindungen ähnliche Eigenschaften besitzen könnten. Die langsamere Rekombination könnte nicht nur für Solarzellen interessant sein. Auch bei der Herstellung solarer Brennstoffe werden langlebige Ladungsträger benötigt, um chemische Reaktionen anzutreiben.
Ob Bismutsulfid selbst zu einem wichtigen Material für künftige Solarzellen wird, ist damit noch nicht entschieden. Der wissenschaftliche Fortschritt liegt zunächst darin, dass die Forschenden einen bisher wenig genutzten Weg gefunden haben, starke Lichtabsorption mit einer langsameren Rekombination zu verbinden. Die Studie entstand unter Leitung der Universität Oxford in internationaler Zusammenarbeit, unter anderem mit der Wuhan University in China.
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