Solarzellendurchbruch: 130% Quantenausbeute erreicht

Eine als unüberwindbar geltende Grenze der Solarphysik hat im März 2026 Risse bekommen. Forscher der Universität Kyushu in Japan und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben gemeinsam ein Verfahren demonstriert, das 130 Prozent Quantenausbeute erreicht. Das bedeutet: Pro absorbiertem Lichtquant werden 1,3 Energiezustände erzeugt statt des physikalisch erwarteten Maximums von 1,0. Die Arbeit wurde am 25. März in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlicht. Noch ist es ein Labornachweis in einer flüssigen Lösung, kein Produkt. Aber die Grundlage für Solarzellen, die deutlich effizienter sind als alles heute Erhältliche, ist damit gelegt.

Die Grenze, um die es geht

Herkömmliche Solarzellen stoßen an die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze, benannt nach den Physikern William Shockley und Hans-Joachim Queisser, die sie 1961 berechneten. Danach kann eine ideale Einfachsolarzelle maximal etwa 33,7 Prozent der einfallenden Sonnenenergie in Strom umwandeln. Kommerzielle Siliziumpanele erreichen heute 20 bis 22 Prozent. Das Problem: Hochenergetische Photonen geben ihre überschüssige Energie als Wärme ab, statt sie in Strom zu verwandeln.

Eine theoretische Lösung dafür ist die sogenannte Singulett-Fission: Ein hochenergetisches Photon wird dabei in zwei niedrigenergetische Anregungszustände (Tripletts) aufgespalten. Aus einem Photon werden so potenziell zwei nutzbare Ladungsträger. Das erlaubt in der Theorie Quantenausbeuten über 100 Prozent und ermöglicht es, die Shockley-Queisser-Grenze zu überschreiten. Bisherige Versuche scheiterten jedoch daran, diese Triplettzustände effizient zu ernten, bevor die Energie verloren geht.

Das Experiment

Das Team um Yoichi Sasaki von der Universität Kyushu und Katja Heinze von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz löste dieses Ernteproblem mit einem molybdänbasierten Metallkomplex, der als sogenannter Spin-Flip-Emitter funktioniert. Der Komplex koppelt an Tetracen, ein organisches Material, das für Singulett-Fission bekannt ist. Als Energievermittler fängt das Molybdän die erzeugten Triplettzustände ein und macht sie durch einen Quantenspinwechsel nutzbar, bevor sie zerfallen.

Im Experiment kamen auf jedes absorbierte Photon 1,3 angeregte Molybdänkomplexe statt 1,0, was einer Quantenausbeute von 130 Prozent entspricht. Damit wurde erstmals experimentell gezeigt, dass Singulett-Fission zur effizienten Energieernte nutzbar ist.

Was das nicht bedeutet

130 Prozent Quantenausbeute ist nicht dasselbe wie 130 Prozent Wirkungsgrad einer Solarzelle. Das widerspräche dem Energieerhaltungssatz. Quantenausbeute beschreibt, wie viele nutzbare Anregungszustände pro absorbiertem Photon entstehen, nicht wie viel der gesamten einfallenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Wie hoch der Gesamtwirkungsgrad einer künftigen Solaranlage tatsächlich wäre, hängt von vielen weiteren Faktoren ab.

Hinzu kommt: Der Labornachweis funktioniert bisher nur in einer flüssigen Lösung. Die Übertragung in eine stabile Festkörperschicht, wie sie in echten Solarzellen nötig ist, bezeichnet das Forscherteam selbst als erhebliche Herausforderung. Wie viele Jahre bis zu einem Prototyp vergehen, ist offen.

Das Potenzial

Trotz dieser Einschränkungen ist die Bedeutung des Ergebnisses erheblich. Gelingt die Übertragung in Festkörperzellen, projizieren die Forscher realistische Wirkungsgrade von 35 bis 45 Prozent für praktische Solarzellen. Das wäre mehr als doppelt so viel wie heutige kommerzielle Module. Zum Vergleich: Die teuersten Mehrfachsolarzellen für Raumfahrtanwendungen erreichen derzeit rund 47 Prozent, kosten aber ein Vielfaches von Standardzellen.

Über Solarenergie hinaus sehen die Forscher Anwendungspotenzial in hocheffizienten LEDs und in der Quantentechnologie, wo ähnliche Spin-Mechanismen gefragt sind. Dass Kyushu und Mainz diese Grundlagenforschung gemeinsam vorantreiben, zeigt zudem: Schlüsseltechnologien für die Energiewende entstehen nicht nur in amerikanischen oder chinesischen Labors. Der nächste Schritt des Teams ist die Entwicklung einer Festkörpervariante des Systems.