Die neue Technologie, die die nächste Stufe der Solarenergie einläuten könnte, entstand an der Kyoto Universität in Japan. Man könnte sie durchaus als einen „heiligen Gral“ für die Solarenergie betrachten. Denn seit langer Zeit versuchen Wissenschaftler, einen Stoff zu finden, der nur durch den Kontakt zu Licht Strom erzeugt, ohne eine externe Spannung zu benötigen. Genau das gelang den Forschern aus Japan nun mit vielversprechendem Ergebnis.
Neue Solarzellen verändern die Generation von Strom vollständig
Damit wir verstehen, warum die neue Forschung so bahnbrechend für Solarenergie sein könnte, müssen wir zunächst die Limitationen unserer heutigen Möglichkeiten begreifen. Emissionsfreie Erzeugung von Strom ist mit unseren Solarmodulen ohne Weiteres möglich. Doch durch ihren Ausbau erlauben sie nur eine begrenzte Ausbeute von Spannung, die ihre Effizienz einschränkt. Auch wenn Forscher in den vergangenen Jahren immer mehr Störfaktoren beseitigen konnten, bleibt eine physikalisch mögliche Obergrenze. Eine Lösung für dieses Dilemma ist ein quantenphysikalischer Effekt, mit dem Strom direkt aus Licht erzeugt werden kann. Das Phänomen bezeichnet man als „Bulk Photovoltaic Effect“ (BPVE). Und obwohl lange wissenschaftlich klar war, dass er sich theoretisch umsetzen lässt, fehlte ein Material, das die notwendigen Eigenschaften liefert.
Der Knackpunkt des „Bulk Photovoltaic Effect“ liegt darin, dass das Licht die Elektronen in einem Material nicht gleichmäßig anregen darf, sondern in eine bestimmte Richtung lenken muss. Trifft Licht auf Elektronen, bewegen sich die angeregten Elektronen dabei zufällig, wodurch sich ihre Bewegungen partiell gegenseitig aufheben. Anders hingegen sieht es aus, wenn der innere Aufbau eines Stoffes asymmetrisch ausfällt. Hier verschiebt sich das Gleichgewicht und ein dauerhafter Stromfluss entsteht. Ausschließlich angeregt durch den Lichteinfall ohne eine äußere Spannung. Damit dieses Phänomen eintreten kann, benötigt man eine entsprechende Kristallstruktur, die diese Asymmetrie liefert.
Neues Material vereint benötigte Eigenschaften für konstanten Stromfluss
Projektleiter Kazunari Matsuda und sein Team an der Kyoto University verwendeten daher zwei aufeinander abgestimmte Materialien, um den Wunscheffekt zu erzeugen. Eines von ihnen stellt eine extrem dünne Schicht aus einem lichtempfindlichen Halbleiter dar. Sie ist lediglich eine Atomlage dick, weshalb sie mit dem bloßen Auge nicht erkennbar ist. Ergänzend dazu verwendeten die Forscher ein magnetisches Material darunter. Die beiden Stoffe fügen sich zu einer Heterostruktur zusammen – einer Grenzfläche, bei der die physikalischen Eigenschaften beider Materialien aufeinanderstoßen. Sie liefern daher genau, was für den BPVE benötigt wird: Stoffe ohne Spiegelsymmetrie sowie eine Störung der sogenannten Zeitumkehrsymmetrie. Denn üblicherweise laufen physikalische Prozesse rückwärts genauso ab wie vorwärts. Nicht so in dieser Stoffkombination. Trifft das Licht auf die Grenzfläche, sorgt die aufgebrochene Symmetrie dafür, dass sich die Elektronen nicht mehr gleichmäßig anregen. Sie verschieben sich bevorzugt in eine bewusst definierte Richtung, wodurch der Bedarf an äußerer Spannung vollständig entfällt.
So kann dank der Quantenprozesse die Energie des Lichtes viel direkter und mit weniger Verlusten genutzt werden. Ebenso ist das Material im Vergleich zu klassischen PV-Schichten deutlich dünner, was neue Anwendungen ermöglichen könnte. Doch das ist keineswegs das Bahnbrechendste an diesem Fortschritt. Denn mit dieser Technologie und der Möglichkeit, Magnetfelder zu beeinflussen, sind wir Menschen zum ersten Mal in der Lage, diesen Stromerzeugungseffekt aktiv zu kontrollieren. Bisherige Systeme sind lediglich passiv zu steuern. Hier diktieren einzig Lichtintensität und Temperaturen bei Solarmodulen, wie ein Effekt ausfällt.
Ein Prozess, der sich aktiv beeinflussen lässt, liefert gänzlich neue Freiheiten. Es wäre somit theoretisch möglich, die Stromerzeugung an den Bedarf des Netzes gekoppelt anzupassen. Allerdings dürfte es wie üblich bei Durchbrüchen noch dauern, bis die Solarzellen in neuen Bauelementen und der nächsten Generation an Solarmodulen verbaut werden. So nützlich diese Effekte daher für unsere heutige Zeit wären, das aktuell bestehende Dilemma der Energiewende dürfte er nicht lösen können.