Ein gemeinsames Forschungsteam der japanischen Kyushu University und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) in Deutschland hat mit einem innovativen „Spin-Flip“-Emitter eine Quantenausbeute von 130 % erreicht und damit die physikalischen Grenzen der Solarenergieumwandlung durchbrochen. Dieses Ergebnis zeigt, dass Solarsysteme mehr Energieüberträger erzeugen können, als sie Photonen absorbieren, und eröffnet neue Wege zur Steigerung der photovoltaischen Effizienz.
Seit langem ist die Solartechnologie durch das Shockley-Queisser-Limit begrenzt, wobei in herkömmlichen Zellen ein Photon nur ein Elektron anregen kann und die überschüssige Energie hochenergetischer Photonen oft als Abwärme verloren geht. Die neue Methode basiert auf dem Mechanismus der Singulett-Spaltung (SF), bei dem ein einzelner hochenergetischer Singulett-Exziton in zwei niedrigenergetische Triplett-Exzitonen gespalten wird, was theoretisch die Arbeit von zwei Photonen durch ein einziges Photon ermöglicht.
Das Konzept der Singulett-Spaltung existiert zwar bereits, aber die Erfassung der vervielfachten Exzitonen war bisher eine Herausforderung, da der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) oft zu Energieverlusten führt. Das Forschungsteam entwickelte einen Molybdän-basierten Metallkomplex als „Spin-Flip“-Emitter, der durch Umdrehen des Elektronenspins eine Spin-Ausrichtung erreicht und selektiv die bei der Spaltung erzeugte Triplett-Energie sammelt, wodurch FRET-Störungen vermieden werden.
Während die Quantenausbeute herkömmlicher Solarzellen auf 100 % begrenzt ist, hat die Singulett-Spaltungsmethode bereits 130 % erreicht, mit einem theoretischen Limit von 200 %, bei gleichzeitig geringen Wärmeverlusten. Derzeit arbeiten die Forscher daran, die Technologie von der Lösungsumgebung auf den Festkörper zu übertragen, mit dem Ziel, sie in Solarzellen, LEDs und Quantencomputer zu integrieren.
Bei erfolgreicher Anwendung könnte diese Technologie die Entwicklung von hocheffizienten Photovoltaikmodulen ermöglichen, die aus demselben Sonnenlicht mehr Strom erzeugen und so den globalen Energiewandel beschleunigen. Die Zusammenarbeit wurde von Adrian Sauer, einem Austauschstudenten der JGU Mainz, initiiert und vereint deutsche Materialforschung mit dem technischen Fachwissen des japanischen Teams.
