Nachahmung der Photosynthese könnte Solarzellen verbessern

Der neue Ansatz bewegt Energie effizient und könnte Energieverluste bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität verringern

08.09.2022 - USA

Eine relativ neue Art von Halbleiter, der auf einer spiegelähnlichen Struktur geschichtet ist, kann die Art und Weise nachahmen, wie Blätter Energie von der Sonne über relativ große Entfernungen transportieren, bevor sie sie für chemische Reaktionen nutzen. Dieser Ansatz könnte eines Tages die Effizienz von Solarzellen verbessern.

"Der Energietransport ist einer der entscheidenden Schritte für die Gewinnung und Umwandlung von Sonnenenergie in Solarzellen", so Bin Liu, Postdoktorand im Bereich Elektrotechnik und Computertechnik und Erstautor der in der Zeitschrift Optica veröffentlichten Studie.

"Wir haben eine Struktur geschaffen, die hybride Licht-Materie-Mischzustände unterstützen kann und einen effizienten und außergewöhnlich weitreichenden Energietransport ermöglicht.

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Eine der Möglichkeiten, wie Solarzellen Energie verlieren, sind Leckströme, die in Abwesenheit von Licht entstehen. Dies geschieht in dem Teil der Solarzelle, der die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen "Löcher", die durch die Absorption von Licht erzeugt werden, aufnimmt und sie an einer Verbindungsstelle zwischen verschiedenen Halbleitern trennt, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

In einer herkömmlichen Solarzelle ist der Übergangsbereich so groß wie der Bereich, in dem das Licht gesammelt wird, so dass die Elektronen und Löcher nicht weit gehen müssen, um ihn zu erreichen. Der Nachteil ist jedoch der Energieverlust durch diese Leckströme.

Die Natur minimiert diese Verluste bei der Photosynthese durch große "Antennenkomplexe" in den Chloroplasten und die viel kleineren "Reaktionszentren", in denen die Elektronen und Löcher für die Verwendung bei der Zuckerproduktion getrennt werden. Diese als Exzitonen bezeichneten Elektronen-Loch-Paare sind jedoch in Halbleitern nur sehr schwer über lange Strecken zu transportieren.

Liu erklärte, dass photosynthetische Komplexe dies dank ihrer hochgradig geordneten Strukturen schaffen können, aber vom Menschen hergestellte Materialien sind normalerweise zu unvollkommen.

Das neue Gerät umgeht dieses Problem, indem es Photonen nicht vollständig in Exzitonen umwandelt - stattdessen behalten sie ihre lichtähnlichen Eigenschaften. Die Photonen-Elektronen-Loch-Mischung wird als Polariton bezeichnet. In Form von Polaritonen kann die Energie dank ihrer lichtähnlichen Eigenschaften relativ schnell relativ große Entfernungen von 0,1 Millimetern überwinden, was noch weiter ist als die Entfernungen, die Exzitonen in Blättern zurücklegen.

Das Team erzeugte die Polaritonen, indem es den dünnen, lichtabsorbierenden Halbleiter auf eine photonische Struktur schichtete, die einem Spiegel ähnelt, und ihn dann beleuchtete. Dieser Teil des Geräts funktioniert wie der Antennenkomplex in Chloroplasten und sammelt Lichtenergie über einen großen Bereich. Mit Hilfe der spiegelähnlichen Struktur leitete der Halbleiter die Polaritonen zu einem Detektor, der sie in elektrischen Strom umwandelte.

"Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass sie das Potenzial hat, die Effizienz der Stromerzeugung herkömmlicher Solarzellen, bei denen die Bereiche, die das Licht sammeln und die Ladung trennen, auf derselben Fläche koexistieren, erheblich zu verbessern", so Stephen Forrest, der Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering, der die Forschung leitete.

Das Team weiß zwar, dass der Energietransport in ihrem System stattfindet, ist sich aber nicht ganz sicher, ob sich die Energie kontinuierlich in Form eines Polaritons bewegt. Es könnte sein, dass das Photon auf dem Weg zum Detektor eine Reihe von Exzitonen überfliegt. Sie überlassen dieses grundlegende Detail zukünftigen Arbeiten, ebenso wie die Frage, wie man effiziente Lichtsammelvorrichtungen bauen kann, die den Photosynthese-ähnlichen Energietransfer ausnutzen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Bin Liu, Xinjing Huang, Shaocong Hou, Dejiu Fan, and Stephen R. Forrest; Photocurrent generation following long-range propagation of organic exciton–polaritons; Optica Vol. 9, Issue 9, pp. 1029-1036 (2022)

https://www.chemie.de/news/1177600/nachahmung-der-photosynthese-koennte-solarzellen-verbessern.html