Arthur Nozik und Kollegen haben eine Solarzelle hergestellt, deren Effizienz bei über 100 Prozent liegt. Sie erzeugt also mehr Ladungsträger, als Photonen auftreffen. Dazu kombinierten die Forscher eine konventionelle Solarzelle mit einer Schicht aus Bleiselenidquantenpunkten. In dieser Schicht regen die einfallenden Lichtquanten so genannte multiple Exzitonen an – dabei bleiben jeweils zwei Elektron-Loch-Paare eine Zeit lang miteinander verkoppelt, um dann zu zerfallen. Dieser Prozess ist gewinnbringender als der Fotoeffekt, der in konventionellen Halbleitern pro Photon genau ein Elektron freisetzt.

Die Quantenpunkte – pyramidenartige Häufchen aus einigen tausend Atomen – haben einen Durchmesser von drei bis sechs Nanometern. Sie begrenzen die Bewegungsfreiheit der Elektronen in allen drei Raumrichtungen, weshalb die Ladungsträger nur bestimmte Energiewerte annehmen können, ähnlich wie in einem Atom. Das führt dazu, dass in ihnen mehr Exzitonen als in einer massiven Schicht aus demselben Material entstehen.

Für die Forscher an der University of Colorado in Boulder bestand nun die Herausforderung darin, diese Elektronen auch für die Stromerzeugung nutzbar zu machen, ehe sie mit den Löchern rekombinieren. Dazu testeten sie Herstellungsverfahren mit verschiedenen Mischungen von Chemikalien. Bisher behinderten immer Reste längerer organischer Moleküle auf den Quantenpunkten die Elektronen in ihrer Beweglichkeit. Mit der neuartigen Mischung gelang es jedoch, diese langen Ketten durch kürzere zu ersetzen. So blieben die Elektronen mobil und konnten ihren Beitrag zur Stromerzeugung leisten.

Die Anregungsenergie für Exzitonen liegt im kurzwelligen UV-Bereich. Um einen möglichst großen Anteil des Sonnenspektrums nutzbar zu machen, experimentierten Nozik und Kollegen darüber hinaus mit verschieden großen Quantenpunkten. Je kleiner diese sind, desto längerwelliges Licht kann zur Anregung beitragen.

Die höchste Effizienz stellten die Forscher bei einer Schicht mit Quantenpunkten von 5,6 Nanometer Durchmesser fest, sie setzte für einen bestimmten Wellenlängenbereich sogar 30 Prozent mehr Elektronen frei als Photonen eintrafen. Gelänge es, noch größere Teile des Sonnenspektrums für die Exzitonenerzeugung zu nutzen, wäre das die Chance für eine Revolution in der Solartechnik, betonen die Wissenschaftler. Derzeit haben ihre neu entwickelten Solarzellen allerdings noch einen geringeren Wirkungsgrad als die besten kommerziell erhältlichen.