Donor‑Verdünnung verschiebt Grenzen organischer Solarzellen
Reduzierung des Polymerdonor-Anteils führt zu topologiebegrenztem Transport und Übergang von Langevin‑ zur Smoluchowski‑artiger Rekombination.
Forschende der Professur Optik und Photonik der kondensierten Materie an der TU Chemnitz und mehrerer Partnerinstitutionen haben systematisch untersucht, wie sich organische Solarzellen verhalten, wenn das übliche Donor‑Akzeptor‑Mischungsverhältnis bis ins Extreme getrieben wird – bis hinunter zu nur einem Prozent Donoranteil. Unter Verwendung des etablierten Materialsystems PM6:Y12 verknüpfen sie Nanomorphologie, Ladungstransport und Rekombination mit der Bauelementleistung und liefern ein einheitliches physikalisches Bild „donor‑verdünnter“ organischer Solarzellen.
Organische Solarzellen bestehen typischerweise aus zwei Komponenten: einem Donor, der dazu neigt, Elektronen abzugeben, und einem Akzeptor, der Elektronen aufnimmt. Wird Licht absorbiert, entstehen Elektron‑Loch‑Paare, die an der Donor‑Akzeptor‑Grenzfläche getrennt werden und so die Erzeugung eines Photostroms ermöglichen. „In den vergangenen Jahren haben verdünnte Donor‑Mischungen überraschend hohe Wirkungsgrade erreicht, aber es fehlte uns ein konsistentes Verständnis davon, wie Morphologie, Transport und Rekombination in diesen Systemen zusammenspielen“, sagt Carsten Deibel. „Unsere Arbeit zeigt, dass die Donor‑Verdünnung in erster Linie die Topologie des Transportnetzwerks umgestaltet – und dass diese Topologie, und nicht eine scharfe Perkolationsschwelle, die Leistungsgrenzen definiert.“
In ihrer Studie fertigte das Team PM6:Y12‑Bulk‑Heteroübergangs‑Solarzellen mit Donoranteilen zwischen 1 und 45 Prozent an und charakterisierte sie mit einem breiten Spektrum struktureller, optischer und elektrischer Methoden. Grazing‑incidence wide‑angle X‑ray scattering (GIWAXS) und resonante weiche Röntgenstreuung (RSoXS) zeigen, dass selbst bei Donoranteilen unter 5 Prozent eine lamellare Stapelung im verwendeten invertierten Bauelementdesign die Ladungsextraktion ermöglicht. Ergänzende UV‑Photoelektronenspektroskopie (UPS) mit Tiefenprofilen bestätigt, dass – abgesehen von einer dünnen donorreichen Oberflächenschicht – die Zusammensetzung im Volumen über alle Mischungen hinweg eng dem nominalen Donor‑Akzeptor‑Verhältnis folgt.
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Zur Quantifizierung des Ladungstransports bestimmen die Forschenden eine effektive Leitfähigkeit der aktiven Schicht direkt aus Strom‑Spannungs‑Kennlinien unter Beleuchtung, basierend auf einer kürzlich entwickelten Methode, die Rekombinations‑ und Transportbeiträge in der Nähe der Leerlaufspannung voneinander trennt. Die resultierende effektive Leitfähigkeit, die sowohl Elektronen‑ als auch Lochleitfähigkeiten umfasst, fällt bei geringem Donoranteil stark ab, zeigt jedoch eine robuste, nahezu temperaturunabhängige Skalierung mit der Zusammensetzung, wenn sie in einer festen energetischen Tiefe im Zustandsdichteprofil ausgewertet wird. Die Autorinnen und Autoren zeigen, dass sich diese Abhängigkeit durch ein klassisches dreidimensionales Perkolationsmodell beschreiben lässt. „Wir stellen fest, dass die Topologie des PM6‑Transportnetzwerks Leitfähigkeit und Beweglichkeit kontrolliert und dass sich dieses Netzwerk wie ein dreidimensional perkolierendes System ohne ausgeprägte Perkolationsschwelle verhält“, sagt Maria Saladina, Ko‑Erstautorin der Studie.
Exziton‑Quenchingexperimente deuten auf eine nahezu vollständige Ausbeute der PM6‑Exzitonen für alle Zusammensetzungen hin, während die Löschung der Y12‑Exzitonen und deren effektive Lebensdauer mit zunehmendem Donoranteil zunehmen. „Selbst bei sehr geringen Donoranteilen beobachten wir weiterhin ein kontinuierliches, dreidimensionales PM6‑Netzwerk statt isolierter Donorinseln“, erklärt Erstautor Chen Wang. Diese Konnektivität ist entscheidend, um trotz starker Verdünnung eine effiziente Ladungsextraktion aufrechtzuerhalten.
Die nichtgeminale Rekombination wird durch die Kombination zeitaufgelöster Photolumineszenz unter Beleuchtung mit einer Sonneneinstrahlung von 1 Sonne mit zeitverzögerten Sammelfeld‑Messungen analysiert. Für höhere Donoranteile lassen sich die Rekombinationskinetiken in einem Langevin‑artigen Rahmen mit einem ausgeprägten, kleiner als eins liegenden Langevin‑Reduktionsfaktor beschreiben, den die Autorinnen und Autoren vor allem auf die Wiederaufspaltung von Elektron-Loch-Paaren an der Donor‑Akzeptor‑Grenzfläche vor der Rekombination zurückführen.
Bei Donoranteilen unter fünf Prozent ändert sich die Situation jedoch qualitativ: Die scheinbare Rekombinationsordnung und die Zeitabhängigkeit der Rekombinationsrate weichen von den Erwartungen des Langevin‑Modells ab, und der effektive Langevin‑Reduktionsfaktor, der aus den experimentellen Daten extrahiert wird, kann sogar Werte größer als eins annehmen – die Rekombinationsrate wird also höher als vom klassischen Langevin‑Modell vorhergesagt.
Durch die Analyse der Langzeitdynamik identifizieren die Autorinnen und Autoren einen Übergang zu einem dispersiven, Smoluchowski‑artigen Rekombinationsregime, in dem Begegnungen räumlich verteilter Ladungsträger zu einem charakteristischen Potenzgesetz‑Abfall der Rekombinationsrate führen. „In stark verdünnten Mischungen bewegen sich Ladungsträger in einem topologie‑begrenzten Netzwerk mit räumlich inhomogenen Feldern, und die Rekombinationskinetiken werden dispersiv und skalenfrei“, erklärt Saladina. „Dieses Smoluchowski‑artige Regime geht über das konventionelle Langevin‑Bild hinaus und hilft zu erklären, warum die Rekombination bei sehr niedrigen Donoranteilen die Langevin‑Vorhersagen überschreiten kann.“ [TUC / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
C. Wang, C. Wöpke, T. Seiler, et al., Rethinking charge transport: Donor dilution reshapes limits of organic solar cells, Adv. Mater., e23681, 7. Juni 2026; DOI: 10.1002/adma.202523681 - DFG‑Forschungsgruppe „Printed & Stable Organic Photovoltaics with Non‑Fullerene Acceptors – POPULAR“, TU Chemnitz
- Optik und Photonik kondensierter Materie (Carsten Deibel), Institut für Physik, TU Chemnitz
