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Zukunftsmusik: Hot-Carrier-Solarzellen nutzen Maxwellschen Dämon
Hot-Carrier-Zellen nutzen einen völlig anderen physikalischen Mechanismus zur Ladungstrennung als konventionelle Solarzellen, was ihnen im Prinzip eine viel bessere Ausnutzung der im Licht enthaltenen Energie ermöglicht.
Alle Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, in dem bei Absorption von Photonen negative und positive bewegliche Ladungsträger entstehen, die dann getrennt werden.
Konventionelle Solarzellen bauen am P-N-Übergang ein elektrisches Feld auf, das Elektronen in die eine und Löcher in die andere Richtung fließen lässt.
Hierbei kann nur der Teil der Photonenenergie genutzt werden, der der Bandlücke entspricht. Alle Überschussenergie des Elektrons wird durch Kollisionen in Wärme umgewandelt, bis es an der Bandunterkante angekommen ist ("Thermalisierung"). Der Wirkungsgrad von Siliziumzellen ist so absolut auf ca. 33 % begrenzt.
Eine Methode, höher zu kommen, ist, einen zweiten P-N-Übergang mit einer größeren Bandlücke oben drauf zu setzen (z.B. Perovskit) und damit die höherenergetischen Photonen herauszufischen. Für die niederenergetischen Photonen ist diese Schicht transparent und sie können wie gehabt von der Siliziumzelle ausgebeutet werden.
Hot-Carrier-Zellen hingegen sind so gemacht, dass kaum Kollisionen stattfinden und die Thermalisierung langsamer stattfindet als der Ladungsträgerabfluss. Die Elektronen und Löcher behalten also die volle Photonenenergie für eine gewisse Zeit - daher der Name "Hot Carrier".
In HC-Zellen werden die Ladungsträger nicht durch einen P-N-Übergang getrennt, sondern durch energieselektive Kontakte (ESC). Diese akzeptieren nur Ladungsträger mit einer bestimmten Energie, ähnlich wie ein Maxwellscher Dämon. Der eine Kontakt akzeptiert nur die hochenergetischen Ladungsträger im Leitungsband und der Andere nur die niederenergetischen im Valenzband. Die Energiedifferenz ist dann die zur Verfügung stehende Spannung.
Der "Maxwellsche Dämon" funktioniert hier, weil das System nicht im thermischen Gleichgewicht ist. Die energieselektiven Kontakte bleiben wesentlich kälter als die Ladungsträger. (Die Temperatur der Ladungsträger ist im Bereich von 8 - 10.000 K, während die des Materials um die 300 K beträgt.)
In dieser Arbeit geht es um den Mechanismus, wie genau die Thermalisierung unterdrückt wird. Ich muss ehrlich sagen, dass ich deren Details nicht verstehe. Es ist noch nicht klar, ob das Versprechen der HC-Zellen, 60 % Wirkungsgrad mit einem relativ einfachen System zu erzielen, jemals eingelöst werden wird. Der Teufel steckt hier - wie so oft - im Detail.
Ich finde es jedoch sehr faszinierend, dass es hier eine völlig neue - und sehr logische - physikalische Funktionsweise gibt, um aus Licht Strom zu machen.
Quelle: Gavin Conibeer und Kollegen Bild: Gavin Conibeer un... EN spiedigitallibrary.org
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