29.10.2020

Designregeln für organische Solarzellen

Geschickte Wahl der Ionisierungsenergie könnte transparente Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad ermöglichen.

Eine Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Deutschland und der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien hat organische Solarzellen untersucht. Daraus konnten die Forscher Designregeln für licht­absorbierende Farbstoffe ableiten, die dazu beitragen können, diese Zellen effizienter zu machen und gleichzeitig das Absorptions­spektrum der Zellen an die Bedürfnisse der gewählten Anwendung anzupassen. 
 

Abb.: Die untersuchten Farbstoffe, aus denen moderne organische Solar­zellen...
Abb.: Die untersuchten Farbstoffe, aus denen moderne organische Solar­zellen aufgebaut sind, können hinsichtlich ihrer Effizienz mit den bisher verwendeten Akzeptor-Molekülen – Fullerenen – gleichziehen oder sie gar über­treffen. (Bild: MPI-P)

Die meisten Solarzellen bestehen aus zwei Siliziumschichten, die verschiedene Atome wie Bor oder Phosphor enthalten. Werden diese Schichten kombiniert, lenken sie die durch das absorbierte Sonnenlicht erzeugten Ladungen zu den Elektroden. Dieser Fotostrom kann dann zum Antrieb elektronischer Geräte verwendet werden.

Bei organischen Solarzellen ist die Situation anders: Hier werden zwei organische Materialien miteinander vermischt, anstatt sie in einer Schicht­struktur anzuordnen. Es handelt sich um Mischungen verschiedener Arten von Molekülen. Eine Molekül-Art, der Akzeptor, nimmt gerne Elektronen von der anderen Art, dem Donor, auf. Um zu quantifizieren, wie wahrscheinlich ein Elektronen­transfer zwischen diesen Materialien stattfindet, misst man die Elektronen­affinität und Ionisierungs­energie jedes Materials. Neben der Bestimmung des Wirkungsgrades organischer Solarzellen steuern diese Eigenschaften auch andere Material­eigenschaften, wie beispielsweise Farbe und Transparenz. Elektron-Loch-Paare werden aufgrund der Unterschiede in der Elektronen­affinität und der Ionisations­energie der beiden Materialien an deren Grenzfläche getrennt. Bisher ging man davon aus, dass sowohl die Elektronen­affinität als auch die Ionisierungs­energie für die Funktionalität der Solarzelle gleich wichtig sind. 

Forscher von KAUST und MPI-P haben nun entdeckt, dass bei vielen Donor-Akzeptor-Mischungen jedoch vor allem die Differenz der Ionisations­energie zwischen den beiden Materialien die Effizienz der Solarzelle bestimmt. Die Kombination von Ergebnissen aus optischen Spektroskopie-Experimenten, die in der Gruppe von Frédéric Laquai an der KAUST durchgeführt wurden, sowie von Computer­simulationen, die in der Gruppe von Denis Andrienko, MPI-P, in dem von Kurt Kremer geleiteten Arbeitskreis durchgeführt wurden, ermöglichte die Ableitung präziser Design­regeln für molekulare Farbstoffe, die auf die Maximierung der Effizienz der Solarzelle abzielen.

„In Zukunft wäre es zum Beispiel denkbar, transparente Solarzellen herzustellen, die nur Licht außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs absorbieren – dann aber mit maximaler Effizienz in diesem Bereich“, sagt Denis Andrienko. „Mit solchen Solarz­ellen könnten ganze Häuserfronten als aktive Fläche genutzt werden“, fügt Laquai hinzu. Die Autoren gehen davon aus, dass sie mit diesen Studien einen Wirkungs­grad der Solarzellen von zwanzig Prozent erreichen können, ein Ziel, das die Industrie für eine kostengünstige Anwendung der organischen Photovoltaik im Auge hat. 

MPI-P / DE
 

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