Halbleiter stellen die wichtigste Materialgruppe für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie dar. Im vergangenen Jahr wurden täglich etwa eine halbe Million Solarmodule installiert. Jedoch zeigen Halbleiter-basierte Solarzellen relativ geringe Effizienzen bei der Energieumwandlung. Denn bis jetzt können entsprechende Halbleiter nur einen relativ kleinen Ausschnitt des Lichtspektrums mit hoher Effizienz in elektrische Energie umwandeln.
Halbleiter richtig genutzt
Die Position dieses Fensters im Lichtspektrum hängt dabei von der Bandlücke des Halbleiters ab. Wenn beispielsweise ein Halbleiter gewählt wird, dessen Bandlücke im gelben Spektralbereich liegt, so passiert das Licht aus dem längeren Wellenlängenbereich, also Rot und Infrarot, diesen Halbleiter ungenutzt. Kürzerwelliges Licht, also grünes, blaues oder UV-Licht, welches eine höhere Energie besitzt als gelbes Licht, verliert dagegen seine überschüssige Energie in Form von Wärme. Höhere Effizienzen bei der Energieumwandlung mittels Halbleitern zu erzielen, ist also eine große Herausforderung.
Prozess bei bestimmten Anregungswellenlängen effizienter
Aurora Manzi, Wissenschaflerin am Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik der LMU, der von Professor Jochen Feldmann geleitet wird, hat sich mit diesen Grenzen der Nutzbarkeit des optischen Spektrums im Rahmen ihrer Doktorarbeit beschäftigt. Hierzu hat sie die Absorption mehrerer Lichtteilchen (Photonen) in Perovskit-Nanokristallen studiert, einem neuartigen und vielversprechenden Materialsystem für die Photovoltaik.
„Normalerweise ist die Absorption mehrerer Photonen aus dem langwelligen Lichtbereich, also mit Energien unterhalb der Bandlücke des Halbleiters, sehr ineffizient“, hebt Aurora Manzi, hervor. „Deswegen war ich sehr überrascht, als ich beobachtete, dass dieser Prozess bei bestimmten Anregungswellenlängen plötzlich sehr viel effizienter wird. Zu Beginn haben wir dieses Phänomen nicht verstanden.“
Vergleich mit akustischen Obertönen
Das Forscherteam erkannte, dass diese Resonanzen immer dann auftreten, wenn die Vielfachen zweier bestimmter Frequenzen übereinstimmen, die der primären Lichtschwingung und die der Bandlücke, oder exakter die des Exzitons an der Bandlücke. Dieses Phänomen kann mit der Resonanz von akustischen Obertönen verglichen werden, die in vielen Musikinstrumenten genutzt werden. Wenn intensives rotes Licht auf einen nano-strukturierten Perovskit-Halbleiter gerichtet wird, dann tritt ein Prozess auf, der analog zu der Erzeugung von Obertönen bei einer Gitarrensaite beschrieben werden kann. Die zugrundeliegende Wellenlänge des Lichts erzeugt optische Schwingungen von höherer Ordnung, sogenannte Licht-Obertöne, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der primären Lichtschwingung sind. Tritt ein solcher Licht-Oberton nun in Resonanz mit einem Oberton der Exziton-Bandlücke, so wird der Energieaustausch erhöht und führt an der Bandlücke zur verstärkten Erzeugung von Ladungsträgern, sogenannten Exzitonen.
Die Wissenschaftlerin Manzi erklärt in diesem Zusammenhang, dass die Resonanzen, welche sie beobachten, dem physikalischen Phänomen ähneln, das zwischen zwei Gitarrensaiten abläuft. Wenn eine erste Saite als Lichtanregung ansehen wird und eine zweite Saite als Exziton an der Bandlücke des Halbleiters, dann wissen wir aus der Akustik, dass sie in Resonanz treten, sobald ein Oberton der ersten Saite mit einem Oberton der zweiten Saite übereinstimmt.
Zielsetzung: Effizientere Solarzellen
Die Beobachtung dieses neuen Resonanz-Phänomens für die optische Anregung von exzitonischen Halbleitern könnte den Weg für effizientere Solarzellen ebnen, die langwelliges Licht in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Gemeinsam mit Kollegen des Forschungsnetzwerks SolTech wird nun versucht, durch das Spielen mit Obertönen Anwendungen zu entwickeln.
