Ein Forschungsteam um die Universität Oxford hat einen Halbleiter untersucht, der Licht stark aufnimmt und dabei elektrische Ladungen langsamer verliert als nach einem üblichen Zusammenhang zu erwarten wäre. Der Stoff heißt Wismutsulfid. Seine besondere innere Struktur könnte der Suche nach besseren Materialien für Solarzellen eine neue Richtung geben.
Die am 28. Oktober in Nature veröffentlichte Studie beschreibt Versuche an dünnen Materialfilmen und passende Berechnungen. Das Team hat keine fertige Solarzelle vorgestellt. Es hat untersucht, was im Material geschieht, nachdem Licht darauf trifft.
Wenn Licht Ladungen freisetzt
Eine Solarzelle nutzt einen Halbleiter, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Trifft Licht auf das Material, kann seine Energie ein Elektron in einen beweglicheren Zustand heben. Zurück bleibt ein sogenanntes Loch: eine Stelle, an der ein Elektron fehlt und die sich wie eine positive Ladung verhält.
Damit aus diesen Ladungen nutzbarer Strom werden kann, müssen Elektronen und Löcher eingesammelt werden. Treffen sie vorher wieder zusammen, verschwindet dieses Ladungspaar. Fachleute nennen den Vorgang Rekombination. Je länger die Ladungen verfügbar bleiben, desto mehr Zeit bleibt grundsätzlich für ihre Sammlung.
Hier begegnen sich zwei Eigenschaften, die oft schwer zu vereinen sind. Ein Material soll Licht gut aufnehmen. Zugleich sollen die entstandenen Ladungen nicht zu schnell wieder verschwinden. Das Oxford-Team untersuchte Wismutsulfid, weil es diese beiden Eigenschaften auf ungewöhnliche Weise verbindet.
Ein Zwischenzustand hält Ladungen länger fest
Entscheidend sind die erlaubten Energiezustände der Elektronen. Das Material nimmt Licht über einen starken sogenannten direkten Übergang auf. Energetisch knapp darunter liegt ein anderer Zustand, der zu einem indirekten Übergang gehört. Das Forschungsteam beschreibt ihn als eine Art vorübergehendes Reservoir.
Angeregte Ladungen verbringen einen Teil ihrer Zeit in diesem tiefer liegenden Zustand. Der starke Weg der Lichtaufnahme bleibt dadurch erhalten, während eine bestimmte Form der Wiedervereinigung von Elektronen und Löchern insgesamt langsamer abläuft. Die Forscher nennen diese Kombination „pseudo-direkt“.
Für den Vergleich berechnete das Team, wie sich die innere Struktur auf die sogenannte bimolekulare Rekombination auswirkt, also auf die Wiedervereinigung eines Elektrons mit einem Loch. Bei Raumtemperatur ergab das Modell eine um etwa 75 Prozent niedrigere Rate als für einen rein direkten Halbleiter mit entsprechend starker Lichtaufnahme. Das ist ein Vergleich dieses einzelnen Verlustprozesses, keine Angabe zur Leistung einer Solarzelle.
Was im Labor gemessen wurde
Die Forscher stellten dünne Filme auf einem Quarzträger her. Sie regten die Proben mit kurzen Lichtpulsen an und verfolgten anschließend mit mehreren optischen Messverfahren, wie sich die Ladungsträger verhielten. Die Messungen umfassten unterschiedliche Temperaturen; Berechnungen der elektronischen Struktur halfen, den beobachteten Verlauf zu erklären.
Auch andere Verlustwege spielen eine Rolle. Die Studie unterscheidet etwa den untersuchten inneren Prozess von Verlusten, die mit Defekten im Material zusammenhängen. Für eine praktische Solarzelle müsste das Material als Teil eines vollständigen Bauteils funktionieren; aus einer einzelnen Rekombinationsrate lässt sich deren Wirkungsgrad nicht ablesen.
Für die Forschung ist der Befund dennoch interessant, weil er einen Ansatz für die Suche nach weiteren Materialien liefert. Nach Angaben der Universität Oxford könnten Datenbanken nach Stoffen mit ähnlicher Anordnung der Energiezustände durchsucht werden. Ob und wie sich daraus bessere Solarzellen entwickeln lassen, ist der nächste Schritt.
Quellen
- Marcello Righetto und weitere: Delayed electron–hole recombination in a pseudo-direct semiconductor, Nature, 28. Oktober 2026.
- University of Oxford: Semiconductor breakthrough overcomes major challenge in capturing solar energy, 28. Oktober 2026.
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