Farbstoff verbessert organische Solarzellen

Das Herzstück organischer Solar­zellen ist eine aktive Schicht, die aus speziell entwickelten organischen Molekülen besteht. Hier werden die Elektronen und Löcher erzeugt. Die Ladungs­träger wandern zu den Elektroden und bilden den elektrischen Strom. Ein grund­sätzliches Problem beim Aufbau organischer Solar­zellen ist die genaue Abstimmung der einzelnen Materialien. Die Elektroden sind anorganisch, aber die aktive Schicht ist organisch. In vielen orga­nischen Solarzellen verbinden daher Zwischen­schichten aus Metalloxid die Materialien. Aber deren Leit­fähigkeit ist meist nicht optimal.

Die Teams um Frank Würthner von der Universität Würzburg und Zengqi Xie von der South China University of Tech­nology in Guangzhou versuchten nun, die Zinkoxid­schicht zwischen der negativen Elektrode und der aktiven Schicht etwas organischer und unter Licht leitfähig zu machen. Damit sollte der Kontakt­widerstand unter Sonnenlicht­einstrahlung verringert werden. Die Wissen­schaftler bereiteten einen organischen Farbstoff so auf, dass er stabile Komplexe mit Zinkionen bildet, die sich in der Zinkoxid­schicht befinden. Dieser modifizierte Farbstoff mit dem Namen Hydroxy-PBI kann unter Sonnenlicht selbst Elektronen in die Zinkoxid­schicht einspeisen, was deren Leitfähigkeit erhöht.

Anschließend bauten die Wissen­schaftler die organische Solarzelle zusammen. Sie bestand aus einer Indium-Zinnoxid-Glas­elektrode, der Hydroxy-PBI-dotierten Zinkoxid­schicht, der aktiven Schicht aus einem Polymer als Elektronen­donor und einem organischen Molekül als Akzeptor, einer weiteren Metalloxid­zwischen­schicht und einer Aluminium­elektrode als positiver Elektrode. Diese invertierte Bulk-Hetero­junction-Architektur entspricht der einer modernen, leistungs­fähigen organischen Solarzelle, die unter optimalen Bedingungen einen Wirkungsgrad von bis zu 15 Prozent hat.

Die Dotierung war in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Je nach Farbstoff – die Wissen­schaftler testeten mehrere Farbstoffe mit leicht unter­schiedlichen Strukturen – erreichte der Wirkungsgrad fast 16 Prozent. Und auch die Zinkoxid-Zwischen­schicht war durch die Dotierung offenbar stabiler geworden. Ausschlaggebend für den Fortschritt war laut der Autoren die Modifizierung des Farbstoffs PBI zum Hydroxy-PBI, denn nur diese Form konnte den festen Komplex mit den Zinkionen eingehen. Erst damit entstand demnach eine stabile anorganisch-organische Hybrid­struktur, die einen besseren Kontakt zum aktiven Material vermittelte. Nun planen die Forscher, das Verfahren für andere Zwischen­schichten und zum Beispiel auch auf die OLED-Tech­nologie auszuweiten.

Wiley-VCH / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Wen et al.: Tetrahydroxy‐Perylene Bisimide Embedded in Zinc Oxide Thin Film as Electron Transporting Layer for High Performance Non‐Fullerene Organic Solar Cells, Ang. Chem., online 28. Juli 2019; DOI: 10.1002/ange.201907467
• Center for Nanosystems Chemistry CNC (F. Würthner), Universität Würzburg