Hocheffiziente organische Solarzellen

Neue Materialien für preiswerten Sonnenstrom

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.

Vergleich des Aufbaus von Polymer-Fulleren und Fulleren-freien organischen Solarzellen sowie die dazugehörigen Strom-Spannungs-Kennlinien. Die neuen Akzptormoleküle (rechts) erlauben deutlich höhere Leerlaufspannungen als die traditionellen Fulleren-basierten Solarzellen. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Organische Solarzellen basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie herkömmliche Siliciumsolarzellen: Photonen, also Lichtteilchen, werden in geeigneten Materialien absorbiert. Es entstehen Ladungsträger, die zu den Elektroden der Solarzelle transportiert werden und so eine elektrische Spannung erzeugen.

Allerdings nutzen organische Solarzellen keine herkömmlichen Halbleiterkristalle, sondern spezielle Kohlenwasserstoffverbindungen, also Kunststoffe. Von der Leistung her sind diese Plastiksolarzellen ihrem Vorgänger aus Silicium 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.

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Die in organischen Solarmodulen verwendeten leitfähigen Moleküle können Photonen sehr gut aufnehmen – deshalb genügen schon Schichtdicken von etwa 100 nm. Um jedoch einen Stromfluss zu gewährleisten, müssen die durch das Licht freigesetzten Elektronen auch aus dem Material extrahiert werden. Dazu wird es angereichert mit sogenannten Fullerenen: hohle, in sich geschlossene Moleküle aus 60 oder 70 Kohlenstoffatomen in der Form eines mikroskopischen Fußballs, die als sogenannte 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.

Stabiler, billiger, effizienter

Die Photovoltaikforscherin Dr. 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 in Nature Materials veröffentlichte 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 % den von Fulleren-haltigen Zellen mit dem gleichen Polymer bei weitem und lässt sich bei Verwendung von komplexeren Polymeren auf bis zu 11 % steigern.

Die in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science veröffentlichte 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 Siliciumsolarzellen – 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.

Gefördert durch die Helmholtz-Gemeinschaft

Dr. Barans Forschung in Jülich und London wurde durch das internationale Postdoktoranden-Programm der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren finanziert. Das Programm ermöglicht es jungen Nachwuchskräften mit herausragenden wissenschaftlichen Promotionen sich in ihrem Forschungsgebiet zu etablieren und ihre wissenschaftlichen Kompetenzen gezielt auszubauen.

Originalpublikationen:

„Reducing the efficiency–stability–cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells" by Derya Baran et al., Nature Materials. DOI: 10.1038/NMAT4797.

„Reduced voltage losses yield 10% efficient fullerene free organic solar cells with >1 V open circuit voltages" by Derya Baran et al., Energy & Environmental Science. DOI: 10.1039/c6ee02598f.

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