Forscher brechen Rekord: Solarstrom-Effizienz verdoppelt

Neue Methode überwindet Shockley-Queisser-Grenze

Solarenergie gilt als eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen. Doch trotz aller Fortschritte bleibt ein fundamentales Problem: Die Effizienz von Solarzellen ist begrenzt. Derzeit wandeln handelsübliche Module nur etwa 20 bis 25 Prozent des Sonnenlichts in Strom um. Die theoretische Obergrenze, die Shockley-Queisser-Grenze, liegt bei rund 33 Prozent.

Diese Grenze resultiert aus physikalischen Gesetzen. Sonnenlicht besteht aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen. Doch nur ein schmaler Bereich – etwa das sichtbare Licht – kann direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Rest geht als Wärme verloren oder durchdringt das Material ohne Nutzung.

Durchbruch durch Singulett-Spaltung

Ein internationales Forscherteam aus Japan und Deutschland hat nun eine Methode entwickelt, die diese Grenze überschreitet. In einer Studie, veröffentlicht im Journal of the American Chemical Society, beschreiben die Wissenschaftler ein Verfahren, das bisher ungenutzte Energieanteile des Lichts erschließt.

Der Schlüssel liegt in der Singulett-Spaltung. Dabei wird hochenergetisches blaues Licht, das normalerweise nicht in Strom umgewandelt werden kann, in zwei nutzbare Energieeinheiten aufgespalten. Die Forscher nutzten dafür eine Kombination aus dem organischen Molekül Tetracen und dem Metall Molybdän.

„Wir haben zwei Hauptstrategien, um die Shockley-Queisser-Grenze zu überwinden“, erklärt Yoichi Sasaki, Chemiker an der Kyushu-Universität und Mitautor der Studie. „Eine besteht darin, niederenergetische Infrarotphotonen in höherenergetische sichtbare Photonen umzuwandeln. Die andere, die wir hier erforschen, nutzt die Singulett-Spaltung, um aus einem einzelnen Photon zwei Exzitonen zu erzeugen.“

Quanteneffizienz von 130 Prozent erreicht

In Laborexperimenten gelang es dem Team, eine Quanteneffizienz von 130 Prozent zu erreichen. Das bedeutet: Aus 100 eingestrahlten Lichtteilchen konnten 130 nutzbare Energieeinheiten gewonnen werden. Zum Vergleich: Herkömmliche Solarzellen erreichen eine Effizienz von unter 30 Prozent.

Praktische Umsetzung noch in weiter Ferne

Trotz des vielversprechenden Ergebnisses bleibt die Technologie vorerst im Laborstadium. Kommerziell verfügbare Solarmodule werden noch lange nicht von dieser Innovation profitieren. Die Forscher betonen, dass weitere Entwicklungen nötig sind, um die Methode praxistauglich zu machen.

Dennoch markiert der Durchbruch einen wichtigen Meilenstein. Die Shockley-Queisser-Grenze galt seit ihrer Formulierung im Jahr 1961 als unüberwindbar. Nun zeigt sich, dass innovative Ansätze das Potenzial haben, die Solartechnik grundlegend zu verändern.

Ausblick: Solarenergie mit höherem Wirkungsgrad

Langfristig könnte diese Technologie die Effizienz von Solarzellen deutlich steigern. Damit würde Solarstrom noch wettbewerbsfähiger und könnte einen größeren Beitrag zur Energiewende leisten. Die Forscher arbeiten bereits an der Optimierung ihres Verfahrens, um die Stabilität und Skalierbarkeit zu verbessern.

„Dies ist der größte Fortschritt seit über 60 Jahren. Wir stehen erst am Anfang einer neuen Ära in der Photovoltaik.“
Yoichi Sasaki, Kyushu-Universität