66 % Wirkungsgrad? Physiker ebnen Weg für neue Generation von Solarzellen
Solarzellen verschenken viel Sonnenenergie als Wärme. Physiker haben jetzt verstanden, wie sich dieser Verlust stark verlangsamen lässt. Das könnte den Wirkungsgrad einer neuen Solarzell-Generation deutlich erhöhen.
Solarmodule an einer Hausfassade in Remscheid. Herkömmliche Siliziumzellen wie diese wandeln auch in ungewöhnlichen Konstruktionen nur rund 20 % des Sonnenlichts in Strom um, mehr als 33 % sind mit einer Absorberschicht physikalisch nicht drin. Heiße Elektronen könnten diese Grenze verschieben.
Foto: picture alliance / imageBROKER | Robert Poorten
Herkömmliche Solarzellen mit einer einzigen Absorberschicht können physikalisch höchstens rund 33 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Für kristallines Silizium liegt die Obergrenze sogar nur bei rund 29 %. Der Hauptgrund: Energiereiche Elektronen geben ihren Überschuss binnen einer Billionstel Sekunde als Wärme ab. Physiker der Universität Groningen haben nun erklärt, warum zinnbasiertes Perowskit diesen Verlust massiv bremsen kann. Das könnte den Weg zu Einschicht-Solarzellen ebnen, die theoretisch einen Wirkungsgrad von bis zu 66 % erzielen.
Ein Photon trifft auf eine Solarzelle und hebt ein Elektron in einen angeregten Zustand. Ist das Photon besonders energiereich, etwa weil es aus dem blauen Teil des Spektrums kommt, bekommt das Elektron mehr Energie mit, als es für den Stromfluss braucht. Dieser Überschuss macht es zu einem „heißen Elektron“. Und er ist fast sofort wieder weg: Innerhalb von Pikosekunden fließt die überschüssige Energie als Wärme ins Kristallgitter und verpufft.
Ein Team um Jan Anton Koster und Maria Antonietta Loi von der Universität Groningen hat nun nach eigenen Angaben mithilfe einer Simulation entschlüsselt, warum das in zinnbasiertem Perowskit anders läuft. Die Ergebnisse erschienen am 11. September 2026 in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters.
Inhaltsverzeichnis
Warum bei 33 % bislang Schluss ist
Die Effizienzgrenze einschichtiger Solarzellen heißt Shockley-Queisser-Limit, 1961 berechnet von den Physikern William Shockley und Hans-Joachim Queisser. Ihre Rechnung geht von drei Annahmen aus.
- Ein Photon erzeugt genau ein Elektron-Loch-Paar.
- Die Zelle steht unter normalem Sonnenlicht ohne Linsen oder Spiegel.
- Die gesamte Überschussenergie der heißen Elektronen geht als Wärme verloren.
Unter diesen Bedingungen bleiben für eine Zelle mit einer Absorberschicht höchstens rund 33 %, für Silizium sogar nur 29 %.
Die Industrie umgeht dieses Limit bisher durch das Stapeln verschiedener Schichten. Sogenannte Tandemzellen aus Perowskit und Silizium nutzen für zwei Bereiche des Spektrums zwei Schichten und erreichen im Labor bereits über 35 %. Wie das funktioniert und warum Perowskit den Massenmarkt dafür öffnet, erklärt der Beitrag „Perowskit eröffnet Massenmarkt für Mehrfachsolarzellen“.
Der Groninger Ansatz greift dagegen die dritte Annahme von Shockley und Queisser an: Was, wenn die Wärme gar nicht erst verloren geht?
Die Messung, an der die Forscher zweifelten
Den Anstoß für die Forschung gab ein Experiment der italienischen Physikerin Maria Antonietta Loi, an der Universität Groningen Professorin für Photophysik ist. Sie hatte Zinn-Perowskit hergestellt und die heißen Elektronen darin mit Laserpulsen vermessen. Statt nach einer Pikosekunde behielten sie ihre Überschussenergie deutlich länger, laut Studie bis in den Nanosekundenbereich.
„Die Messungen waren eindeutig, aber wir verstanden die Physik dahinter nicht“, sagt ihr Kollege Jan Anton Koster heute, Professor für die Physik neuartiger Halbleiter. Fachkollegen stellten das Ergebnis infrage. „Wir begannen sogar selbst, an den Messungen zu zweifeln“, räumt Koster ein.
Wie schnell solche Prozesse nach einem Lichtblitz normalerweise ablaufen, zeigt eine Studie aus Graz: Dort veränderte sich ein Elektron-Loch-Paar innerhalb von 400 Femtosekunden. Koster und sein Doktorand Tim Faber wollten Lois Ergebnisse daher prüfen, gingen die Frage aber anders an: nicht mit dem Laser, sondern mit dem Rechner.
Zwei Effekte gegen das Abkühlen
Die Niederländer bauten das Material im Computer nach und ließen Tausende simulierte Elektronen abkühlen. Ein einzelner Mechanismus reichte nicht aus, um Lois Messwerte zu erklären. Erst zwei bekannte Effekte zusammen lieferten das Ergebnis:
- Phononenstau (Hot Phonon Bottleneck): Heiße Elektronen geben ihre Energie als Gitterschwingungen ab, sogenannte Phononen. In Perowskit zerfallen diese Schwingungen langsamer, als neue entstehen. Es bildet sich ein Stau, und die Elektronen nehmen die Energie wieder auf, statt sie loszuwerden.
- Bandfüllung (Burstein-Moss-Effekt): Ein Elektron kühlt ab, indem es stufenweise auf tiefere Energieniveaus fällt. Sind diese Stufen bereits von anderen Elektronen besetzt, ist der Weg nach unten versperrt. Das Pauli-Prinzip verbietet, dass zwei Elektronen denselben Zustand einnehmen.
Einfach gesagt: Das Elektron will nach unten, findet aber keinen freien Platz. Und sobald es doch einen findet, schubst es der Phononenstau wieder nach oben. „Als wir auch diesen Prozess in die Simulation aufnahmen, lag der Energieverlust im Nanosekundenbereich, genau wie in den Experimenten von Maria Loi“, sagt Koster.
470 statt 4 Pikosekunden
Laut Simulation kühlen die Elektronen ohne die beiden Effekte in rund 4 ps ab. Doch mit Phononenstau und Bandfüllung dauert die Abkühlung etwa 470 ps, also mehr als hundertmal länger. Zum Vergleich: Im Experiment an Cäsium-Zinn-Iodid, dem Zinn-Perowskit-Material aus Lois Labor, hatten die Elektronen rund 636 ps gebraucht. Die Simulation von Koster und Faber liegt damit im selben Bereich wie Lois Messung. Für die Forscher ist das der Beleg, dass die beiden Effekte den von Loi beobachteten langsamen Energieverlust vollständig erklären.
Zentral ist ein anderer Befund: Die Elektronen bleiben dabei tatsächlich heiß. Selbst nach 200 ps liegt ihre Temperatur noch über 600 K, also rund 330 °C. Das ist wichtig, weil sich die Überschussenergie nur dann als zusätzliche Spannung zur Stromproduktion nutzen lässt.
Warum eigentlich Zinn? Zinn-Perowskit vereint zwei Eigenschaften, die sonst selten zusammenkommen: ein weiches, polares Kristallgitter, das den Phononenstau begünstigt, und eine geringe effektive Masse der Ladungsträger, die die Bandfüllung verstärkt. Beim verbreiteten Blei-Perowskit ist die effektive Masse höher, entsprechend kürzer sind die gemessenen Abkühlzeiten.
Was bringt das für Solarzellen?
Zunächst einmal: nichts, was sich kaufen ließe. Eine funktionierende Hot-Carrier-Solarzelle gibt es bislang nicht. Das theoretische Potenzial ist allerdings enorm. Bereits 1982 berechneten die US-Physiker Robert Ross und Arthur Nozik für eine ideale Zelle unter normalem Sonnenlicht bis zu 66 % Wirkungsgrad, doppelt so viel wie das Shockley-Queisser-Limit erlaubt. Die Groninger Studie zeigt nicht, dass sich das erreichen lässt, aber warum Zinn-Perowskit die wichtigste Voraussetzung dafür erfüllt. Über die 33 % kommen herkömmliche Zellen bislang nur mit mehreren Absorberschichten hinaus; zuletzt hatten Forscher aus Hongkong hier 40 % in Aussicht gestellt.
Die Groninger Studie liefert für die nächste Generation der Einschicht-Zellen eine Art Bauplan. Ein Absorbermaterial für heiße Elektronen braucht demnach eine geringe effektive Masse, ein weiches Kristallgitter und hohe Reinheit. Gerade der letzte Punkt ist bei Zinn-Perowskit heikel: Zinn oxidiert leicht, und die dabei entstehenden Ladungsträger beschleunigen das Abkühlen wieder. Dazu kommt ein Problem, das die Studie nicht löst: Die heißen Elektronen müssen aus der Zelle herausgeführt werden, bevor sie abkühlen. Dafür braucht es energieselektive Kontakte. Im Labor wurde das Prinzip bereits gezeigt, eine funktionierende Hot-Carrier-Zelle hat aber noch niemand gebaut.
Quellen
- ACS Energy Letters: The Physics of Ultra-Long Cooling Times in Metal Halide Perovskites
- Solar RRL: The Role of Thermalization in the Cooling Dynamics of Hot Carrier Solar Cells
- Universität Groningen: Harvesting hot electrons could break solar panel barrier
- Journal of Applied Physics: Ross, R. T.; Nozik, A. J.: Efficiency of hot-carrier solar energy converters (1982), https://doi.org/10.1063/1.331124
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