Herkömmliche Solarzellen können nicht das gesamte Sonnenlicht in Strom umwandeln. Besonders energiearme Infrarotstrahlung bleibt teilweise ungenutzt. Graphen könnte das ändern. Forschende aus Dresden haben einen Weg berechnet, wie sich das extrem dünne Material für die Stromerzeugung einsetzen ließe. Ihr Trick: Sie kombinieren ein Magnetfeld mit elektrisch erzeugten Barrieren, um Elektronen gezielt zu lenken.
Graphen ist nur eine Atomlage dick. Elektronen können sich darin besonders leicht bewegen, was das Material für elektronische Bauteile interessant macht. Auch Licht kann Graphen aufnehmen. Die Schwierigkeit besteht darin, die dabei entstehenden elektrischen Ladungen so zu trennen, dass nutzbarer Strom fließt.
Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat dafür einen neuen Ansatz entwickelt. Statt das Graphen aufwendig zuzuschneiden oder zu falten, wollen die Forschenden elektrische Spannungen nutzen. Damit könnten sie die Bewegung der Ladungsträger beeinflussen, ohne die Struktur des Materials verändern zu müssen.
Die Ergebnisse erschienen bereits am 21. August 2026 im Fachjournal Physical Review Applied. Am 29. Oktober stellte das HZDR die Forschung in einer Pressemitteilung vor.
Warum Graphen bislang keine gute Solarzelle ist
In herkömmlichen Solarzellen übernimmt Silizium die Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Trifft ein Lichtteilchen mit ausreichend Energie auf das Material, kann es ein Elektron anregen. Dabei entsteht gleichzeitig ein sogenanntes Loch – eine Stelle, an der ein Elektron fehlt. Das Loch verhält sich wie ein positiver Ladungsträger.
Damit elektrischer Strom gewonnen werden kann, müssen Elektronen und Löcher getrennt und zu unterschiedlichen Kontakten geleitet werden. Silizium besitzt dafür eine wichtige Eigenschaft: die sogenannte Bandlücke. Sie bestimmt, wie viel Energie ein Lichtteilchen mindestens mitbringen muss, um ein Elektron anzuregen. Ein eingebautes elektrisches Feld sorgt anschließend dafür, dass die Ladungsträger getrennt werden.
Graphen hat keine solche Bandlücke. Das ist einerseits von Vorteil, weil das Material auch energiearmes Licht aufnehmen kann. Andererseits erschwert es die gezielte Trennung der Ladungsträger. „Deshalb muss man sich einen anderen Mechanismus ausdenken“, erklärt Prof. Ralf Schützhold, Direktor des HZDR-Instituts für Theoretische Physik, in der Pressemitteilung des Forschungszentrums.
Elektrische Barrieren statt aufwendig geschnittener Kanten
Bisherige Forschungsansätze nutzen beispielsweise winzige Kanten oder Faltungen im Graphen. Zusammen mit einem Magnetfeld können diese dafür sorgen, dass sich Elektronen und Löcher in unterschiedliche Richtungen bewegen.
Allerdings ist es schwierig, solche Strukturen präzise herzustellen. Besonders bei größeren Flächen wird das zum Problem. Schon kleine Unregelmäßigkeiten an den Kanten können das Verhalten der Ladungsträger beeinflussen. Die Dresdner Forschenden wollen deshalb auf die aufwendige Bearbeitung des Graphens verzichten.
„Statt einer Kante wollen wir Potentialbarrieren als Leitplanken verwenden, die wir durch elektrische Spannungen erzeugen“, erläutert Schützhold.
Dafür sollen schmale Metallelektroden über oder unter einer ebenen Graphenschicht angebracht werden. Eine Isolierschicht verhindert den direkten elektrischen Kontakt. Sobald an den Elektroden Spannung anliegt, entstehen im Graphen Bereiche, die die Bewegung der Ladungsträger beeinflussen.
Hinzu kommt ein Magnetfeld, das senkrecht zur Graphenschicht verläuft. Es zwingt die Ladungsträger auf gekrümmte Bahnen. Treffen sie auf eine passend ausgelegte elektrische Barriere, werden sie reflektiert und bewegen sich entlang dieser weiter.
Je nach angelegter Spannung können die Barrieren Elektronen zurückhalten und Löcher passieren lassen – oder umgekehrt. So ließen sich beide Ladungsträgerarten zu unterschiedlichen elektrischen Kontakten führen. Der entscheidende Vorteil: Die Barrieren müssen nicht dauerhaft in das Material eingearbeitet werden. Sie lassen sich durch elektrische Spannungen verändern.
„Bei den Elektroden können wir die Spannung einstellen“, erklärt Schützhold. Auch einzelne Elektroden könnten ein- oder ausgeschaltet werden. Damit ließe sich das System an unterschiedliche Lichtenergien anpassen. Zudem könnten viele Elektroden nebeneinander größere Graphenflächen erschließen. Das würde die Herstellung vereinfachen und die Technik weniger empfindlich gegenüber Materialfehlern machen.
Warum damit auch Infrarotlicht nutzbar werden könnte
Für die Solarenergie ist besonders interessant, dass Graphen auch Lichtteilchen mit vergleichsweise geringer Energie aufnehmen kann. Bei Silizium gibt es eine feste Grenze. Licht mit einer Wellenlänge von mehr als etwa 1100 nm besitzt nicht genügend Energie, um ein Elektron über die Bandlücke anzuregen. Dieser Teil des nahen Infrarotlichts trägt deshalb nicht zur Stromerzeugung einer gewöhnlichen Silizium-Solarzelle bei.
Graphen hat diese Einschränkung nicht. Es kann auch energieärmere Photonen absorbieren. Wenn es gelingt, die dadurch angeregten Ladungsträger zuverlässig zu trennen, könnte sich ein zusätzlicher Teil des Sonnenlichts für die Stromerzeugung erschließen.
Wie wichtig die Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen ist, zeigen bereits andere Entwicklungen in der Photovoltaik. Forschende des Fraunhofer ISE haben beispielsweise Solarmodule mit mehreren übereinanderliegenden Halbleiterschichten entwickelt, die unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums verwerten. Der Dresdner Ansatz verfolgt allerdings ein anderes Prinzip. Er soll die fehlende Bandlücke von Graphen nutzen und gleichzeitig die bisher schwierige Ladungstrennung ermöglichen.
Ein kleines Magnetfeld könnte bereits genügen
Die Forschenden haben auch berechnet, wie ein erster Versuchsaufbau aussehen könnte. Vorgesehen ist eine Graphenschicht zwischen transparenten Isolierschichten. Schmale Metallelektroden sollen Spannungen im Voltbereich anlegen und dadurch die benötigten Barrieren erzeugen.
Für die Nutzung von Infrarotlicht müssten die Elektrodenabstände im Mikrometerbereich liegen. Entscheidend ist, dass sie zur Bewegung der Ladungsträger im Magnetfeld passen. Den Berechnungen zufolge könnte bereits ein Magnetfeld von rund 0,1 Tesla ausreichen. Ein solches Feld lässt sich mit Permanentmagneten erzeugen.
Ein weiteres Problem ist die geringe Lichtaufnahme einer einzelnen Graphenschicht. Deshalb schlagen die Forschenden vor, mehrere elektrisch voneinander isolierte Graphenlagen zu stapeln. Spiegel könnten dafür sorgen, dass das Licht die Schichten mehrfach durchläuft. Dadurch würde sich die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Photonen absorbiert werden.
Die Idee, Graphen in Solarzellen einzusetzen, ist nicht völlig neu. So kommt beispielsweise Graphenoxid bereits in experimentellen Perowskit-Solarzellen zum Einsatz. Dort verbessert es allerdings eine Grenzfläche innerhalb der Zelle. Das Dresdner Konzept sieht dagegen Graphen selbst als lichtabsorbierendes Material vor.
Jetzt muss das Verfahren im Experiment funktionieren
Bislang haben die Forschenden den Mechanismus theoretisch untersucht. Eine funktionierende Solarzelle auf Grundlage des neuen Konzepts gibt es noch nicht. Am HZDR sind deshalb Experimente geplant. Sie sollen zeigen, ob sich Elektronen und Löcher tatsächlich so zuverlässig lenken lassen, wie es die Berechnungen vorhersagen.
Schützhold verweist auf frühere Untersuchungen mit Graphenkanten: „Schon bei den Graphenkanten folgte auf unsere theoretische Vorhersage der experimentelle Nachweis, das Signal fiel sogar stärker aus als erwartet. Deshalb hoffe ich, dass das auch mit unserem neuen Ansatz klappt.“
Allerdings berücksichtigt das bisherige Modell noch nicht sämtliche Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern. So können Elektronen ihre Energie unter bestimmten Bedingungen an weitere Elektronen abgeben und zusätzliche Elektron-Loch-Paare anregen. Ob und wie stark solche Prozesse das neue Verfahren beeinflussen, ist noch zu untersuchen.
Neben Solarzellen sehen die Forschenden mögliche Anwendungen in Infrarotsensoren und elektronischen Bauteilen aus Graphen. Dort könnten elektrisch steuerbare Barrieren genutzt werden, um die Bewegung von Ladungsträgern gezielt vorzugeben. Zunächst müssen die Versuche jedoch bestätigen, dass der berechnete Mechanismus auch unter realen Bedingungen funktioniert.
Quellen
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf: Elektrische Leitplanken für Ladungsträger – Pressemitteilung vom 29. Oktober 2026.
- Josiek et al.: Magnetophotoelectric effect in graphene via tailored potential landscapes – Physical Review Applied, 26, 024061, veröffentlicht am 21. August 2026. DOI: 10.1103/k1y8-vr4y.
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