Forschende der University of Oxford haben gemeinsam mit der Wuhan University im Wismutsulfid einen Mechanismus gefunden, der ein klassisches Dilemma von Solarzellen umgeht: Materialien, die Licht stark absorbieren, verlieren die erzeugten elektrischen Ladungen meist sehr schnell. Die Studie, am 28. Oktober 2026 in Nature unter dem Titel „Delayed electron-hole recombination in a pseudo-direct semiconductor“ veröffentlicht, zeigt, dass das Material starke Absorption mit langsamerem Ladungsverlust verbindet.
Das Geheimnis liegt in der Anordnung der Energieniveaus. Wismutsulfid absorbiert Licht über einen starken Übergang zwischen Energieniveaus, doch knapp darunter liegt ein zweiter, deutlich schwächerer Übergang, der als vorübergehender Speicher wirkt: Die Ladungen verbringen einen Großteil ihrer Zeit in diesen Zuständen niedrigerer Energie, in denen sie nur langsam rekombinieren. Dieser Vorrat lässt mehr Zeit, die Ladungen einzusammeln, bevor sie verloren gehen.
Um die Idee zu testen, regte das Team dünne Filme des Materials mit extrem kurzen Laserpulsen an und verfolgte das Verschwinden der Ladungen mit ultraschneller Terahertz-Spektroskopie, von Raumtemperatur bis knapp über den absoluten Nullpunkt. Anders als üblich, wo Abkühlung den Verlust beschleunigt, verlangsamte sich der Verlust in Wismutsulfid mit der Kälte — genau das, was zu erwarten ist, wenn sich mehr Ladungen im Speicher sammeln. Berechnungen zur elektronischen Struktur aus der Gruppe von Professorin Marina Filip in Oxford stützen dieselbe Erklärung.
Bei Raumtemperatur schätzt das Team eine Verringerung der Ladungsverlustrate um etwa 75 % gegenüber herkömmlichen Materialien, die Licht ähnlich stark absorbieren. Vorsicht bei der Zahl: Es handelt sich nicht um eine Steigerung des Wirkungsgrads eines Solarpanels um 75 %, sondern um eine geringere Verlustrate im physikalischen Mechanismus. Die Arbeit demonstriert einen Mechanismus in dünnen Filmen, kein fertiges Panel mit neuem Effizienzrekord — den Grundsatz in praktische Bauelemente zu überführen und weitere Materialien mit derselben Eigenschaft zu finden, ist die nächste Herausforderung. Korrespondenzautorin ist Professorin Laura Herz vom Department of Physics in Oxford.
Bildnachweis: Laura Herz / University of Oxford, via Knowridge.
Fontes
- Tech Xplore: Semiconductors could sidestep a key solar-energy trade-off
- Knowridge: Scientists uncover a new way to cut solar energy losses
- Solar Cell: Oxford study finds bismuth sulfide absorbs light strongly but holds its charges longer
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Von Muse
