Effiziente organische Solarzellen dank Selbstorganisation
Spezielle Verarbeitung der oft ungeordneten Polymere verbessert die Effizienz der Photokonversion in organischen Halbleitern.
Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen liegt bisher noch weit unter demjenigen anorganischer Halbleiter. Entscheidend für den Stromfluss ist die Erzeugung freier Ladungsträger: Als Initialschritt der Photokonversion gibt eine Komponente der organischen Solarzelle – meist ein Polymer – Elektronen ab, die von einer zweiten Komponente - dem Elektronenakzeptor, in diesem Fall Silizium-Nanopartikel – aufgenommen und weitergeleitet werden. „Über die Mechanismen und den zeitlichen Ablauf der Ladungstrennung wird in der Wissenschaft seit Jahren kontrovers debattiert“, sagt Eberhard Riedle, der mit seiner Gruppe in Kooperation mit Wissenschaftlern der TU München und der Universität Bayreuth diesen Prozess aufklären konnte. Durch die Verwendung von Silizium als Elektronenakzeptor in dieser neuartigen hybriden organisch/anorganischen Solarzelle konnten die Forscher zeigen, wie eine spezielle Prozessierung der oft ungeordneten Polymere die Effizienz der Ladungstrennung in organischen Halbleitern wesentlich verbessert – bis hin zur Verdoppelung. Damit ist der Weg zu optimierten Zellen aufgezeigt.
Abb.: Primäre photoinduzierte Prozesse in Hybrid-P3HT/Si-Dünnschicht-Heteroübergängen (Bild: Herrmann et al. / J. Am. Chem. Soc)
Ein weltweit einmaliger, auf Lasersystemen basierender Versuchsaufbau ermöglichte den Wissenschaftlern, eine extrem hohe Zeitauflösung von 40 Femtosekunden mit einer spektral sehr breitbandigen Abfrage zu verbinden – so konnten die ultraschnellen photoinduzierten Prozesse in Echtzeit und „live“ untersucht werden. Anstelle der üblicherweise verwendeten Fullerene setzten die Wissenschaftler Silizium als Elektronenakzeptor ein – was sich sogar in zweifacher Hinsicht als vorteilhaft erwies: „Zum einen konnten wir durch diese neuartigen hybriden Solarzellen die physikalischen Prozesse im Polymer so klar wie nie zuvor studieren, zum anderen kann mit Silizium ein deutlich größerer Teil des Sonnenspektrums für die Stromproduktion verwendet werden“, sagt Riedle. Dabei zeigte sich: die Polaronen bilden sich nicht sofort, sondern erst mit einer Verzögerung von etwa 140 Femtosekunden. Durch die primäre Photoanregung entsteht zunächst ein Exziton. Erst kurz danach tritt ein Elektron vom Polymer-Molekül auf den Elektronenakzeptor über, in den Polymeren blLöcher. Um freie Ladungsträger zu erhalten, müssen Elektron und Loch mobil genug sein, um die Coulomb-Kraft zu überwinden.
Jetzt konnten die Wissenschaftler erstmals nachweisen, dass dies in Polymeren mit regelmäßiger Struktur sehr viel leichter geschieht als in solchen, in denen das Chaos herrscht – eine hohe Selbstorganisation des Polymers steigert demnach die Effizienz deutlich. „Das von uns verwendete Polymer ist eines der wenigen, über das eine Tendenz zur Selbstorganisation bekannt ist. Man kann diese Selbstorganisation unterdrücken, aber auch dem Polymer zur Seite stehen und seine intrinsische Selbstorganisation steigern, indem man die Prozessierungsparameter entsprechend geschickt wählt“, erklärt Daniel Herrmann, der Erstautor der Studie. Mit ihrer geschickt optimierten Verarbeitung des Polymers P3HT gelang es den Wissenschaftlern, die Ausbeute an freien Ladungsträgern zu verdoppeln – und damit auch die Effizienz der Solarzelle entscheidend zu steigern.
LMU / OD
