Neue Ma­te­ri­ali­en für hocheffiziente organische Solarzellen

Vergleich des Aufbaus von Polymer:Fulleren und Fulleren-freien organischen Solarzellen, sowie die dazuge­hörigen Strom-Spannungs-Kennlinien. Die neuen Akzeptor­moleküle (rechts) erlauben deutlich höhere Leerlauf­spannungen als die tradi­tionellen Fulleren-basierten Solar­zellen. (Klick für größere Version; Bild: FZJ)

Zusammen mit einem internationalen Team von Wissen­schaftlern haben Jülicher Photo­voltaik-Forscher neuartige organische Solar­zellen mit gesteigerter Energie­ausbeute entwickelt. Diese nutzen Materi­alien aus speziellen Molekülen, die eine Reihe von Vorteilen bieten: Sie absorbieren Licht besser, sind stabiler und kosten­güns­tiger herzustellen als die bisher verwendeten Werk­stoffe.

Organische Solarzellen basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie herkömmliche Siliziumsolarzellen. Von der Leistung her sind diese Plastiksolarzellen ihrem Vorgänger aus Silizium noch unterlegen, doch sie haben stattdessen eine Reihe von Vorteilen. Da sowohl Materialien als auch Herstellungs­verfahren sehr preisgünstig sind, lassen sich mit ihnen die Kosten für eine umwelt­freundliche und nachhaltige Energie­erzeugung stark reduzieren. Die hauchdünnen Plastik­schichten, die Elektronen freisetzen und aufnehmen, können flexibel sein und eröffnen eine Vielzahl von neuen Möglich­keiten und Anwendungen: etwa transparente Solar­module in Fenster­flächen oder in Kleidung inte­grierte Strom­erzeuger, wie Lade­geräte für Handys.

Die in organischen Solarmodulen verwendeten leitfähigen Moleküle können Photonen sehr gut aufnehmen – deshalb genügen schon Schicht­dicken von etwa hundert Nano­metern. Um jedoch einen Stromfluss zu gewährleisten, müssen die durch das Licht freigesetzten Elektronen auch aus dem Material extrahiert werden. Dazu wird es angereichert mit Fulle­renen, den hohlen, in sich geschlossenen Molekülen aus sechzig oder siebzig Kohlenstoffatomen in der Form eines mikro­skopischen Fußballs, die als Elektronen­akzeptoren fungieren. Allerdings sind diese Kohlenstofffußbälle nur schlecht in der Lage, sichtbares Licht aufzu­nehmen – offen­sichtlich ein entschei­dender Nachteil für Solarzellen. Auch sind die Fulleren-haltigen Materialien vergleichs­weise energie­intensiv in der Herstellung und nicht sehr stabil. Deshalb suchen Forscher nach Alter­nativen: Moleküle mit der elek­trischen Leit­fähig­keit von Fullerenen, doch ohne deren Schwach­punkte.

Die Photovoltaikforscherin Derya Baran vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung und dem Imperial College London ist die Erstautorin von zwei Studien, in denen ein internationales Team von Wissen­schaftlern neue Materialen für organische Solar­zellen vorstellt – ohne Fullerene. Mit ihnen lassen sich Effi­zienz und Stabi­lität der Zellen steigern, bei gleich­zeitiger Senkung der Her­stel­lungs­kosten.

Die eine Studie präsentiert ein neues Solarzellenmaterial aus drei verschie­denen Molekülen. Die komplexe Dreifachmischung aus einem Polymer und zwei kleinen Molekülen als Elektronen­akzeptoren übertrifft in ihrer Leistung Mischungen mit nur einer Art von Akzeptor­molekül. Darüber hinaus erlauben die verwendeten Moleküle die Nutzung von stabileren Polymeren, die außerdem einfach zu produ­zieren sind. Das senkt die Her­stellungs­kosten. Der Wirkungsgrad von Solar­zellen aus dem neuen Material übertrifft mit 7,7 Prozent den von Fullerene-haltigen Zellen mit dem gleichen Polymer bei weitem und lässt sich bei Verwendung von komplexeren Polymeren auf bis zu 11 Prozent steigern.

Die zweite Studie beschäftigt sich mit einem anderen Schwerpunkt der Photo­voltaik­forschung: Einer der wichtigsten Qualitäts­faktoren von Solarzellen ist die Energie­ausbeute pro Photon. Auch bei geringer Photonen­energie – also bei lang­welligem, wie rotem oder infrarotem, Licht – muss noch Strom fließen. In Fulleren-haltigen orga­nischen Solar­zellen ist dieses Preis-Leistungs-Verhältnis“ zwischen Photonen­energie und erzeugter Spannung – verglichen mit den konventio­nellen Silizium-Solar­zellen – recht hoch. Die Forscher konnten zeigen, dass auch hier alter­native Fulleren-freie Materialien Abhilfe schaffen. Die Fulleren-freien Schichten zeigen weitaus weniger Verluste: Sie können einen großen Teil des Licht­spektrums zur Energie­erzeugung nutzen. (Quelle: FZJ /optik-photonik.de)

Referenzen : D. Baran et al.: Reducing the efficiency–stability–cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells, Nat. Mater., online 21. November 2016; DOI: 10.1038/nmat4797D. Baran et al.: Reduced voltage losses yield 10% efficient fullerene free organic solar cells with >1 V open circuit voltages, Energy Environ. Sci. 9, 3783 (2016); DOI: 10.1039/c6ee02598f

Link: Organische- und Hybridsolarzellen (Th. Kirchartz), Institut für Energie- und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5 Photovoltaik), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich

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