Neue Methode macht Solarenergie deutlich leistungsfähiger

Sonnenlicht liefert der Erde mehr Energie, als wir jemals verbrauchen könnten, doch der größte Teil davon bleibt ungenutzt. Forschende arbeiten inzwischen daran, einen größeren Anteil dieser Energie einzufangen und in Strom umzuwandeln.

Eine neue Studie zeigt nun einen überraschenden Fortschritt, der die Leistungsfähigkeit von Solarenergie künftig deutlich erhöhen könnte.

Forschende der Kyushu-Universität in Japan und der Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz in Deutschland haben eine neue Methode entwickelt, um Sonnenenergie besser zu nutzen.

Das Team konnte nachweisen, dass sich aus Sonnenlicht mehr nutzbare Energie gewinnen lässt, als bisherige Grenzen erlaubten. Dieser Ansatz könnte die Funktionsweise künftiger Solarmodule verändern.

Warum Solarmodule Energie verlieren

Solarmodule erzeugen Strom aus Sonnenlicht, doch dieser Vorgang ist nicht besonders effizient. Ein großer Teil des Lichts, das auf ein Modul trifft, wird nicht in nutzbare Energie umgewandelt.

Das liegt daran, dass Sonnenlicht nicht einheitlich ist. Es umfasst unterschiedliche Energieniveaus, die Solarmodule nicht alle effektiv verwerten können.

Einige Lichtarten, etwa Infrarotlicht, enthalten nur wenig Energie. Diese reicht nicht aus, um Elektronen im Modul in Bewegung zu versetzen, weshalb sie ungenutzt bleibt.

Andere Lichtarten wie blaues oder ultraviolettes Licht besitzen dagegen mehr Energie als erforderlich. Der Überschuss wird nicht gespeichert, sondern geht als Wärme verloren.

Aufgrund dieser Einschränkungen können Solarmodule nur etwa ein Drittel des einfallenden Sonnenlichts verwerten. Der übrige Anteil durchdringt das Modul oder wird verschwendet.

Dieses Problem ist Wissenschaftlern schon lange bekannt, und zahlreiche Studien befassen sich damit, solche Verluste zu verringern und die Effizienz zu steigern.

So funktionieren Solarmodule normalerweise

Solarmodule arbeiten, indem winzige Lichtteilchen, sogenannte Photonen, auf ein Material treffen und Elektronen Energie übertragen.

Diese Elektronen bewegen sich anschließend und erzeugen elektrischen Strom. Dadurch werden Häuser, Geräte und auch große Anlagen versorgt.

So einfach dieser Ablauf klingt, entstehen dabei Energieverluste. Das Modul kann nicht jedes Photon vollständig nutzen.

Die Verbesserung dieser Effizienz gehört deshalb zu den wichtigsten Zielen der Solarenergieforschung.

Ein neuer Weg zu mehr Energie aus Sonnenlicht

Die Wissenschaftler testeten eine besondere Methode namens Singulettspaltung. Mit diesem Verfahren kann ein Lichtteilchen mehr als eine Energieeinheit erzeugen.

„Wir verfolgen zwei Hauptstrategien, um diese Grenze zu durchbrechen“, sagte Yoichi Sasaki, außerordentlicher Professor am Fachbereich Ingenieurwesen der Kyushu-Universität.

„Die eine besteht darin, energieärmere Infrarotphotonen in energiereichere sichtbare Photonen umzuwandeln. Die andere, die wir hier untersuchen, nutzt SF, um aus einem Photon, das ein einzelnes Exziton erzeugt, zwei Exzitonen zu bilden.“

Vereinfacht gesagt wird die Energie bei dieser Methode in zwei Teile aufgeteilt statt in nur einen. Dadurch kann ein Lichtstrahl mehr leisten als zuvor.

Das Hindernis für den Fortschritt

Trotz dieses vielversprechenden Ansatzes standen die Forschenden vor einem großen Problem: Die zusätzliche Energie entwich häufig, bevor sie genutzt werden konnte. Ein Vorgang namens FRET verursachte diesen Verlust.

„Die Energie kann leicht durch einen Mechanismus namens Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) ‚gestohlen‘ werden, bevor die Vervielfachung erfolgt“, erklärte Sasaki.

„Deshalb brauchten wir einen Energieakzeptor, der die nach der Spaltung vervielfachten Triplett-Exzitonen gezielt einfängt.“

Die Wissenschaftler benötigten also eine bessere Möglichkeit, die zusätzliche Energie schnell aufzufangen und zu speichern.

Eine clevere Lösung mit Molekülen

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team ein spezielles Molekül mit dem Metall Molybdän. Dieses Molekül wirkt wie ein Fänger, der die zusätzliche Energie aufnimmt, bevor sie entweichen kann.

Es verändert das Verhalten von Elektronen während des Energieprozesses. So kann das System die zusätzliche Energie festhalten, statt sie zu verlieren. Als die Forschenden dieses System prüften, erzielten sie beeindruckende Ergebnisse.

Der Aufbau erreichte einen Wirkungsgrad von etwa 130 Prozent. Das bedeutet nicht, dass Energie aus dem Nichts entsteht. Vielmehr trug ein Lichtteilchen dazu bei, mehr nutzbare Energie als gewöhnlich bereitzustellen.

„Ohne die Heinze-Gruppe der JGU Mainz hätten wir diesen Punkt nicht erreichen können“, sagte Sasaki.

Der Ingenieurstudent Adrian Sauer spielte eine wichtige Rolle, indem er ein Material einbrachte, das zum Erfolg des Experiments beitrug.

Was das für die Zukunft bedeutet

Diese Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, besitzt jedoch großes Potenzial. Die Wissenschaftler wollen die Methode nun in echten Solarmodulen einsetzen und nicht nur in Laborexperimenten.

Gelingt dies, könnten Solarmodule der Zukunft deutlich effizienter werden. Das könnte Energiekosten senken und die Umweltverschmutzung verringern.

Der gleiche Ansatz könnte zudem Technologien wie LED-Leuchten und sogar neue Arten von Computersystemen verbessern.

Solarenergie prägt bereits die Zukunft sauberer Energie. Wenn sich diese Methode auch außerhalb des Labors bewährt, könnte sie die Energiemenge, die jedes Modul liefert, erheblich steigern.