Optische „Obertöne“ für Solarzellen: Forscher haben in Halbleitern aus Perovskit-Nanokristallen ein neues Phänomen entdeckt. Durch einen Resonanzeffekt zwischen Lichtschwingung und Exzitonen, den Ladungsträgern im Halbleiter, absorbierten die Nanowürfel ungewöhnlich viel Licht im langwelligen Bereich. In der Zukunft könnten neuartige Solarzellen dadurch das Lichtspektrum effizienter ausnutzen und noch mehr Strom liefern, so die Forscher.
Solarenergie ist momentan die treibende Kraft hinter erneuerbaren Energien. Allerdings wandeln Halbleiter-basierte Solarzellen das Sonnenlicht immer noch relativ ineffizient in elektrische Energie um. Der Grund: Halbleiter nutzen nur Licht eines bestimmen Spektralbereichs, Bandlücke genannt, wirklich effizient.
Liegt die Bandlücke im gelben Spektralbereich, passiert längerwelliges Licht, also Rot und Infrarot, das Material ungenutzt. Energiereicheres Licht im kürzeren Wellenbereich, blaues oder UV-Licht, verliert dagegen seine überschüssige Energie in Form von Wärme. Ein größeres Lichtspektrum nutzbar zu machen, gehört zu den großen Herausforderungen der Solartechnologie.
Nanokristalle unter Laserbeschuss
Aurora Manzi von der Ludwig-Maximilians-Universität München und ihre Kollegen haben nun untersucht, wie sich die Nutzbarkeit des Lichts von Halbleitern ausweiten lässt. Dafür studierten sie die Absorption von Photonen in würfelförmigen Perovskit-Nanokristallen, einem neuartigen und vielversprechenden Materialsystem für die Photovoltaik. Sie bestrahlten die Nanowürfel mit einem Breitband-Laser im Wellenlängenbereich von 680 bis 1.080 Nanometern und analysierten die Lichtabsorption des Materials.
Lichtabsorption war unerwartet hoch
Zur Überraschung der Forscher absorbierten die Nanokristalle das langwellige Licht bei bestimmten Wellenlängen sehr viel effizienter als erwartet – konkret bei 700, 790 und 1.030 Nanometern. „Zu Beginn haben wir dieses Phänomen nicht verstanden“, sagt Erstautorin Manzi. „Normalerweise ist die Absorption mehrerer Photonen aus dem langwelligen Lichtbereich, also mit Energien unterhalb der Bandlücke des Halbleiters, sehr ineffizient.“
Den Forschern fiel aber auf, dass dieses Phänomen immer dann auftrat, wenn die Vielfachen zweier bestimmter Frequenzen übereinstimmten, die der primären Lichtschwingung und die des Exzitons an der Bandlücke. Exzitone sind Quasiteilchen im Halbleiter, welche Anregungsenergie durch die Kristallstruktur transportieren.
Licht und Exzitone in Resonanz
Die Forscher vergleichen dieses Phänomen mit der Resonanz von akustischen Obertönen, die den Klang von Musikinstrumenten verstärken. Die Wellenlänge des Lichts erzeugt optische Schwingungen von höherer Ordnung: „Licht-Obertöne“, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der primären Lichtschwingung sind. Tritt ein solcher „Licht-Oberton“ nun in Resonanz mit einem Oberton der Exziton-Bandlücke, so wird der Energieaustausch erhöht. An der Bandlücke entstehen dadurch mehr Exzitonen, also Ladungsträger.
Manzi erklärt dieses Phänomen mit den physikalischen Prozessen, die zwischen zwei Gitarrensaiten ablaufen: „Wenn wir eine erste Saite als Lichtanregung ansehen und eine zweite Saite als Exziton an der Bandlücke des Halbleiters, dann wissen wir aus der Akustik, dass sie in Resonanz treten, sobald ein Oberton der ersten Saite mit einem Oberton der zweiten Saite übereinstimmt.“
Mehr Licht nutzbar machen
„Die Beobachtung dieses neuen Resonanz-Phänomens für die optische Anregung von exzitonischen Halbleitern könnte den Weg ebnen für effizientere Solarzellen, die langwelliges Licht in nutzbare elektrische Energie umwandeln“, sagt Seniorautor Jochen Feldmann. „Das ist eine erstaunliche Entdeckung, die möglicherweise Einfluss auf zukünftige solare Bauelemente nehmen kann.“ (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-03965-8)
(Ludwig-Maximilians-Universität München, 20.04.2018 – YBR)
