Die Mischung macht's

Magnetische Nanopartikel können die Leistung von Kunststoff-Solarzellen steigern – sofern die Mischung stimmt. Das zeigt eine Röntgenuntersuchung an der DESY-Forschungslichtquelle PETRA-III. Eine Beimischung der Nanopartikel von etwa einem Gewichtsprozent macht die Solarzellen effizienter, wie Forscher um Peter Müller-Buschbaum von der TU München beobachtet haben.

Organische Solarzellen auf Kunststoffbasis besitzen großes Potenzial: Sie sind kostengünstig, flexibel und vielseitig einsetzbar. Der Nachteil gegenüber etablierten Silizium-Solarzellen ist ihre geringere Stromausbeute. Typischerweise setzen sie nur wenige Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität um. Dennoch sind organische Solarzellen bereits an vielen Stellen wirtschaftlich und Forscher suchen nach neuen Wegen, die Energieausbeute zu erhöhen. Ein vielversprechender Weg ist die Beimischung von Nanopartikeln. So absorbieren Gold-Nanopartikel zusätzliches Sonnenlicht, das in der Solarzelle weitere elektrische Ladungsträger erzeugt, wenn es von den Goldpartikeln wieder abgegeben wird.

Das Team um Müller-Buschbaum verfolgte einen anderen Ansatz. „Das Licht erzeugt in der Solarzelle jeweils ein Paar von Ladungsträgern, das aus einem negativ geladenen Elektron und einer Fehlstelle, einem Loch mit positiver Ladung, besteht“, erläutert Daniel Moseguí González. „Die Kunst einer organischen Solarzelle ist, diese Elektron-Loch-Paare zu trennen, bevor sie sich wieder vereinen können. Denn dann wäre die zuvor erzeugte Ladung wieder verloren. Wir haben einen Weg gesucht, die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare zu verlängern, sodass mehr von ihnen getrennt und zu unterschiedlichen Elektroden geführt werden können.“

Bei dieser Taktik kommt die Quantenphysik ins Spiel: Sie besagt, dass das Loch – wie das Elektron – ebenfalls einen Spin von ½ aufweist. Diese beiden Spins können sich entweder addieren, wenn sie gleich gerichtet sind, oder subtrahieren, wenn sie entgegengesetzt gerichtet sind. Das Elektron-Loch-Paar kann also einen Gesamtspin von 0 oder 1 besitzen. Paare mit einem Spin von 1 existieren länger als solche mit einem Gesamtspin 0. Die Forscher suchten nun ein Material, das in der Lage ist, den Spin-0-Zustand in einen Spin-1-Zustand umzuwandeln. Dazu sind Nanopartikel aus schweren Elementen nötig, durch die der Spin eines Elektrons oder eines Lochs umgeklappt wird, so dass beide Spins des Paars gleich gerichtet sind. Tatsächlich kann Magnetit dies leisten. „Die Beimischung von Magnetit-Nanopartikeln erhöhte den Wirkungsgrad der Solarzellen in unserem Versuch um bis zu elf Prozent“, berichtet González. Die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare erhöht sich signifikant.

Wichtig ist, nicht zu viele Nanopartikel in die Solarzelle zu mischen. Denn organische Solarzellen besitzen eine sorgfältig abgestimmte innere Struktur, bei der die lichtsammelnden aktiven Materialien mit optimalen Längenskalen gemischt sind, um die Ladungsträger-Paare möglichst effizient zu trennen. Diese Strukturen liegen im Bereich von 10 bis 100 Nanometern. „Werden sehr viele Nanopartikel in das Material der Solarzelle gemischt, verändert sich die Struktur des Materials, wie die Röntgenuntersuchung gezeigt hat“, erläutert Stephan Roth, Leiter der DESY-Messstation P03 an PETRA III, an der die Versuche stattfanden. „Die untersuchte Solarzelle kann eine Dotierung mit Magnetit-Nanopartikeln von bis zu einem Gewichtsprozent verkraften, ohne dass sich die Struktur ändert.“

Den größten Effekt beobachteten die Wissenschaftler bei einer Dotierung mit 0,6 Gewichtsprozent Nanopartikeln. Die Effizienz der untersuchten Kunststoffsolarzelle stieg dabei von 3,05 Prozent auf 3,37 Prozent. „Elf Prozent zusätzliche Energieausbeute können durchaus über die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung entscheiden“, betont Müller-Buschbaum. Die Forscher erwarten, dass sich auch die Leistung anderer Kunststoff-Solarzellen durch die Dotierung mit Nanopartikeln weiter steigern lässt. „Die Kombination von leistungsfähigen Polymeren mit Nanopartikeln lässt also für die Zukunft noch weitere Steigerungen der Effizienzen von organischen Solarzellen erwarten. Ohne eine detaillierte Untersuchung, wie zum Beispiel mit Röntgenstrahlung eines Synchrotrons, ist ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse aber nicht zu erlangen“, summiert Müller-Buschbaum.

DESY / RK