Wissenschaftler der University of New South Wales in Australien haben eine verbesserte Solarzelle auf Basis von Antimon-Chalkogenid-Verbindungen entwickelt, deren zertifizierter photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad 10,7 % erreicht – ein neuer historischer Höchstwert für diese Materialklasse. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlicht.
Dieser Erfolg stellt nicht nur einen neuen Leistungsrekord dar, sondern bedeutet auch, dass Antimon-Chalkogenid-Verbindungen (wie Antimontrisulfid, Antimontriselenid etc.) erstmals in die internationale „Solar Cell Efficiency Tables“ aufgenommen wurden. Dies verleiht der nächsten Generation hocheffizienter und kostengünstiger Solartechnologie neuen Schwung.
Derzeit bewegt sich die Solartechnologie in Richtung „Tandemsolarzellen-Ära“ – dabei werden mehrere Zellen, die unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums absorbieren, gestapelt, um möglichst viel Sonnenenergie einzufangen. Welches Material sich jedoch am besten als Partner für die herkömmliche Siliziumzelle eignet, ist noch nicht entschieden. Als obere „Lichtfänger“-Schicht gehören Antimon-Chalkogenid-Verbindungen zu den Kandidaten.
Dieses Material weist vier wesentliche Vorteile auf: Die Rohstoffe sind reichlich vorhanden und kostengünstig, es ist nicht auf seltene oder teure Metalle angewiesen; die Struktur ist stabil und die Lebensdauer länger – als anorganisches Material ist es wesentlich alterungsbeständiger als organische oder Perowskit-Bauteile; die Lichtabsorption ist extrem stark, bereits eine etwa 300 Nanometer dünne Schicht kann Sonnenlicht effizient einfangen; die Abscheidung als dünne Schicht ist bei relativ niedrigen Temperaturen möglich, was den Energieverbrauch deutlich senkt und eine großtechnische Produktion begünstigt.
Trotz dieser offensichtlichen Vorteile blieb der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad dieser Zellen seit 2020 stets unter der 10 %-Marke. Die neueste Forschung zeigt, dass das Problem in der Elementverteilung während des Herstellungsprozesses liegt – eine ungleichmäßige Verteilung von Schwefel und Selen bildet „Energiebarrieren“, die den Transport der photogenerierten Ladungsträger behindern und so zu Energieverlusten führen. Um dieses Problem zu lösen, fügte das Team geschickt während des Syntheseprozesses eine geringe Menge Natriumsulfid hinzu. Diese Modifikation verbesserte die Ladungsträgermobilität deutlich.
Die optimierte Zelle erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 11,02 %, der von der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) unabhängig mit 10,7 % zertifiziert wurde. Die CSIRO ist eines von weltweit neun anerkannten, maßgeblichen Testzentren für Photovoltaik.
Das Team räumt jedoch ein, dass im Materialinneren noch Defekte vorhanden sind und die Leistung noch nicht ihr Maximum erreicht hat. Durch chemische Behandlungsmethoden wie Oberflächenpassivierung können Energieverluste weiter reduziert und ein größeres Potenzial freigesetzt werden. Das kurzfristige Ziel ist es, den Zellwirkungsgrad auf 12 % zu steigern.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Antimon-Chalkogenid-Verbindungen gehen weit über herkömmliche Solarmodule hinaus. Ihre ultra-dünne, halbtransparente Beschaffenheit macht sie zur idealen Wahl für „transparente Solarfenster“. Darüber hinaus stimmt die Bandlücke des Materials gut mit dem Spektrum von Innenraumbeleuchtung überein, was es besonders für die Mikroenergiegewinnung in Umgebungen mit schwachem Licht geeignet macht. In Zukunft könnte es in intelligenten Abzeichen, elektronischem Papier, energieautarken Sensoren oder sogar IoT-Geräten eingesetzt werden.
