Forschung

Solarzellen könnten theoretisch dreifache Wirkung haben

Nanodrähte können die Intensität des Sonnenlichts auf ein 15-Faches konzentrieren. Damit werden für Solarzellen Wirkungsgrade möglich, die bisher aufgrund einer physikalischen Gesetzmäßigkeit als ausgeschlossen galten. Über ihre Entdeckung berichten dänische Physiker im Fachjournal "Nature Photonics".

Solarenergie© Thomas Otto / Fotolia.com

London (dapd/red) - Bei herkömmlichen Solarzellen ist der theoretische maximale Wirkungsgrad durch die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze limitiert. Wie viel Energie aus einem Lichtteilchen gewonnen werden kann, hängt unter anderem von der sogenannten Bandlücke ab. Damit beschreiben Physiker eine Eigenschaft der Elektronen eines Stoffes. Ist die Bandlücke sehr groß, kann jedes Elektron besonders viel Energie liefern, aber nur wenige Elektronen werden dazu in die Lage versetzt. Ist die Bandlücke klein, eignen sich viele Elektronen, aber jedes einzelne liefert nur wenig Energie.

Je nach Lichtspektrum ergibt sich daraus eine maximal zu gewinnende Energie je Lichtteilchen - die Shockley-Queisser-Grenze. Solarzellen können demnach Sonnenlicht mit einer maximalen Effizienz von 31 Prozent in Strom umwandeln, sofern das Licht nicht fokussiert wird. Würde das Sonnenlicht durch eine Linse so fokussiert, dass es der Intensität von mehr als 45.000 Sonnen entspräche, könnte der Wirkungsgrad auf bis zu 41 Prozent gesteigert werden - ein in der Praxis allerdings untauglicher Ansatz.

Resonanzeffekt steigert Lichtintensität auf das 15-Fache

Eine gewisse Fokussierung passiert jedoch in Nanodrähten automatisch, wie Forscher um den Physiker Peter Krogstrup von der Universität Kopenhagen gezeigt haben. Nanodrähte sind zylindrische Strukturen, die ein Zehntausendstel des menschlichen Haars durchmessen. In ihnen erhöht sich die Intensität des Sonnenlichts auf das 15-Fache. Ursache dafür sind einzigartige Eigenschaften der Nanodrähte. Da ihr Durchmesser geringer ist als die Wellenlänge des Lichts, kommt es zu einem Resonanzeffekt. Dadurch kann mehr Energie der Sonnenstrahlen genutzt werden als bislang angenommen.

Erhöhen des Wirkungsgrades auf fast das Dreifache

"Für einen Forscher ist es faszinierend, die theoretischen Grenzen zu verschieben, wie wir sie kennen", freut sich Krogstrup. Berechnungen des Physikers und seiner Kollegen haben ergeben, dass mittels der Nanodrähte eine Effizienz von 40 Prozent möglich wäre. In der Praxis erreichen herkömmliche nanostrukturierte Solarzellen heute einen Wirkungsgrad von 13,8 Prozent, heißt es in der Studie.

Bis auf Grundlage der Entdeckung markttaugliche Solarzellen entwickelt werden, dürfte es noch einige Jahre dauern, schreiben die Forscher. Kropstrup äußert sich jedoch überzeugt: "Die Ergebnisse zeigen das große Potenzial von Solarzellen auf der Basis von Nanodrähten."