Chemiker schlagen ultradünnes Material zur Verdoppelung der Solarzelleneffizienz vor

Solarzellen nicht aus Silizium, sondern aus einem reichlich vorhandenen natürlichen Material namens Molybdändisulfid herstellen

20.04.2023 - USA

Solarenergietechnologien, die mit Hilfe von Solarzellen Sonnenlicht in Elektrizität oder lagerfähige Brennstoffe umwandeln, gewinnen in einer Welt, die ihren Energiebedarf nicht mehr aus fossilen Brennstoffen decken will, zunehmend an Bedeutung.

Die dunkelblauen Solarzellen, die heute auf Dächern und Freiflächen zu sehen sind, bestehen in der Regel aus Silizium, einem bewährten Halbleitermaterial. Die Silizium-Photovoltaiktechnologie hat jedoch ihre Grenzen, denn bis zu 40 % der aus dem Sonnenlicht gewonnenen Energie gehen in Form von Wärmeverlusten verloren. Forscher der Colorado State University erforschen radikale neue Wege, um die Solarenergie zu verbessern und der Industrie mehr Möglichkeiten zu bieten.

Die Chemiker der CSU schlagen vor, Solarzellen nicht aus Silizium, sondern aus einem reichlich vorhandenen natürlichen Material namens Molybdändisulfid herzustellen. Mit einer kreativen Kombination aus photoelektrochemischen und spektroskopischen Techniken führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, die zeigten, dass extrem dünne Filme aus Molybdändisulfid beispiellose Ladungsträgereigenschaften aufweisen, die eines Tages die Solartechnologien drastisch verbessern könnten.

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Die Experimente wurden von der Chemiedoktorandin Rachelle Austin und dem Postdoktoranden Yusef Farah geleitet. Austin arbeitet in den Labors von Justin Sambur, außerordentlicher Professor im Fachbereich Chemie, und Amber Krummel, außerordentliche Professorin im selben Fachbereich, zusammen. Farah ist ein ehemaliger Doktorand im Labor von Krummel. Ihre Arbeit wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Zusammenarbeit brachte Samburs Fachkenntnisse auf dem Gebiet der Solarenergieumwandlung mit Hilfe von Materialien im Nanomaßstab und Krummels Fachkenntnisse auf dem Gebiet der ultraschnellen Laserspektroskopie zusammen, um zu verstehen, wie verschiedene Materialien strukturiert sind und wie sie sich verhalten. Samburs Labor hatte sich für Molybdänsulfid als mögliches alternatives Solarmaterial interessiert, nachdem erste Daten über dessen Lichtabsorptionsfähigkeit selbst bei einer Dicke von nur drei Atomen vorlagen, erklärt Austin.

Daraufhin wandten sie sich an Krummel, dessen Labor über ein hochmodernes ultraschnelles Pump-Probe-Transienten-Absorptionsspektrometer verfügt, mit dem die aufeinanderfolgenden Energiezustände einzelner Elektronen bei der Anregung durch einen Laserpuls sehr genau gemessen werden können. Experimente mit diesem speziellen Instrument können Schnappschüsse davon liefern, wie Ladungen in einem System fließen. Austin schuf eine photoelektrochemische Zelle mit einer einzelnen Atomschicht aus Molybdänsulfid, und sie und Farah nutzten den Pump-Probe-Laser, um die Abkühlung der Elektronen auf ihrem Weg durch das Material zu verfolgen.

Dabei stellten sie eine erstaunlich effiziente Umwandlung von Licht in Energie fest. Noch wichtiger ist, dass sie mit Hilfe der Laserspektroskopie-Experimente zeigen konnten, warum diese effiziente Umwandlung möglich war.

Sie fanden heraus, dass das Material so gut in der Lage ist, Licht in Energie umzuwandeln, weil seine Kristallstruktur es ermöglicht, die Energie so genannter heißer Ladungsträger zu extrahieren und zu nutzen, d. h. hochenergetischer Elektronen, die kurzzeitig aus ihrem Grundzustand angeregt werden, wenn sie mit genügend sichtbarem Licht getroffen werden. Austin und Farah fanden heraus, dass in ihrer photoelektrochemischen Zelle die Energie dieser heißen Ladungsträger sofort in Photostrom umgewandelt wird und nicht als Wärme verloren geht. Dieses Phänomen der Extraktion heißer Ladungsträger ist in herkömmlichen Silizium-Solarzellen nicht vorhanden.

"Diese Arbeit ebnet den Weg für die Entwicklung von Reaktoren, die diese nanoskaligen Materialien für eine effiziente und groß angelegte Wasserstoffproduktion enthalten", so Sambur.

Das Projekt war eine Zusammenarbeit mit Professor Andrés Montoya-Castillo und Dr. Thomas Sayer von der University of Colorado Boulder, die theoretische Chemie und Computermodellierung beisteuerten, um die experimentellen Daten zu erklären und zu überprüfen.

"Die Entdeckung erforderte einen wissenschaftlichen Team-Ansatz, der viele verschiedene Arten von Fachwissen aus der Computer-, Analyse- und physikalischen Chemie zusammenbrachte", so Krummel.

Die Ergebnisse bieten Wissenschaftlern und Ingenieuren die Möglichkeit, neue Ansätze für die Solarenergietechnologien von morgen zu erforschen. Die Arbeit wurde vom U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, unterstützt.

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