Als Ersatz für fossile Brennstoffe zeigt Solarenergie Potenzial im Kampf gegen den Klimawandel. Die Erde empfängt jede Sekunde enorme Energiemengen von der Sonne, doch Solarzellen können nur einen Bruchteil davon einfangen, begrenzt durch eine physikalische Obergrenze.
Ein Forschungsteam der japanischen Universität Kyushu und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland berichtet in der Zeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ über den Einsatz von Molybdän-basierten Metallkomplexen, um vervielfachte Energie aus Singulett-Spaltung mithilfe eines Spin-flip-Emitters einzufangen. Diese Lichtumwandlungstechnologie steigert die Energieumwandlungseffizienz auf etwa 130 %, durchbricht damit die 100 %-Barriere und eröffnet neue Wege für leistungsstarke Solarzellen.
Der Stromerzeugungsprozess in Solarzellen ähnelt einem Teilchen-Staffellauf: Photonen treffen auf einen Halbleiter und übertragen ihre Energie auf Elektronen, um einen Stromfluss anzutreiben. Allerdings können Photonen mit niedriger Energie (Infrarot) keine Elektronen anregen, während hochenergetische Photonen (z. B. blaues Licht) überschüssige Energie als Wärme verlieren, sodass die Zelle nur etwa ein Drittel des Sonnenlichts nutzt. Diese Einschränkung ist als Shockley-Queisser-Grenze bekannt.
„Wir haben zwei Hauptstrategien, um diese Grenze zu überwinden“, erklärt Yoichi Sasaki, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Kyushu. „Eine besteht darin, niederenergetische Infrarotphotonen in höherenergetische sichtbare Photonen umzuwandeln. Die andere, die wir hier untersuchen, ist die Nutzung der Singulett-Spaltung, um aus einem Singulett-Photon zwei Exzitonen zu erzeugen.“ Normalerweise erzeugt ein Photon maximal ein spin-singulett Exziton; die Singulett-Spaltung kann dieses in zwei niederenergetischere spin-triplett Exzitonen aufspalten, was die Energie theoretisch verdoppelt.
„Die Energie kann leicht ‚gestohlen‘ werden, bevor die Vervielfachung stattfindet, durch einen Mechanismus namens Förster-Resonanzenergietransfer“, erläutert Sasaki. „Daher benötigen wir einen Energieakzeptor, der die vervielfachten Triplett-Exzitonen nach der Spaltung selektiv einfangen kann.“ Das Team fand heraus, dass ein Molybdän-basierter Spin-flip-Emitter als idealer Fänger fungiert, bei dem Elektronen bei der Absorption oder Emission von nahinfrarotem Licht ihren Spin umkehren. Dies ermöglicht es dem System, die durch Singulett-Spaltung erzeugte Triplett-Energie aufzunehmen.
Durch feine Abstimmung der Energieniveaus unterdrückten die Forschenden den verschwenderischen Förster-Resonanzenergietransfer, sodass die vervielfachten Exzitonen aus der Singulett-Spaltung selektiv extrahiert werden konnten. „Ohne die Heinze-Gruppe an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hätten wir dies nicht erreicht“, sagt Sasaki. Adrian Sauer, ein Doktorand der Gruppe, der einen Austauschaufenthalt an der Universität Kyushu absolvierte und zweiter Autor der Publikation ist, machte das Team auf ein langjährig erforschtes Material aufmerksam, was zur Zusammenarbeit führte.
Indem sie den Komplex mit einem Tetracen-basierten Material in Lösung kombinierten, gelang es dem Team, Energie einzufangen und eine Quantenausbeute von etwa 130 % zu erreichen. Das bedeutet, dass jedes absorbierte Photon etwa 1,3 Molybdän-basierte Metallkomplexe anregt. Dies übertrifft die traditionelle 100 %-Grenze und zeigt, dass das System mehr Energieüberträger erzeugt und einfängt, als es Photonen empfängt.
Diese Studie etabliert eine neue Designstrategie für die Exzitonenvervielfachung. Das aktuelle Experiment befindet sich im Stadium eines Machbarkeitsnachweises. Zukünftige Pläne sehen die Kombination beider Materialien im festen Zustand vor, um einen effizienten Energietransfer zu ermöglichen und sie in funktionierende Solarzellen zu integrieren. Gleichzeitig könnte die Forschung Erkundungen an der Schnittstelle von Singulett-Spaltung und Metallkomplexen anregen, mit potenziellen Anwendungen, die von Solarzellen und LEDs bis hin zu Quantentechnologien der nächsten Generation reichen.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Kyushu University; Titel: „'Spin-flip' in metal complexes opens a path beyond solar cell efficiency limits“; erschienen in: „Journal of the American Chemical Society“ (2026); Zeitschrifteninfo: „Journal of the American Chemical Society“.
