Günstiges Produktionsverfahren für Polymersolarzellen

Nasschemisch hergestelltes Polymer-Modul erreicht über sechs Prozent Wirkungsgrad

Santa Barbara (USA)/Gwangju (Korea) – Der Wirkungsgrad von Solarzellen lässt sich durch das Stapeln lichtaktiver Schichten deutlich steigern. Mit Tripelzellen und Konzentratorlinsen werden bereits Rekordwerte von knapp über 40 Prozent erreicht. Vor einer wirtschaftlichen Massenfertigung müssen allerdings die aufwändigen Fertigungsschritte im Labor noch vereinfacht werden. Dieses Ziel rückt mit einem nasschemischen Verfahren, dass amerikanische und koreanische Forscher in der Zeitschrift "Science" beschreiben, ein Stück näher.

"Zwei Halbleiterschichten mit verschiedenen Bandlücken absorbieren Photonen über einen weiten Bereich des solaren Emissionsspektrums", erklären Jin Young Kim von der University of California in Santa Barbara und seine Kollegen vom Gwangju Institut für Wissenschaft und Technologie. Mit zwei organischen Komposit-Materialien nutzten die Forscher für ihr Labormuster diesen Effekt aus. Auf einem Glasträger und einer transparenten Elektrode aus Indiumzinnoxid schichteten sie zuerst ein Komposit aus einem Benzothiadiazol (PCPDTBT) und einem Methylester (PCBM). Getrennt durch eine dünne Titanoxidschicht folgt ein weiteres Komposit aus einem Polyhexylthiophen (P3HT) und einem anderen Methylester (PC₇₀BM).

Abb.: Darstellung der Struktur der Tandem-Solarzelle.

Fällt nun Sonnenlicht ein, absorbiert das obere Modul die Photonen im mittleren Spektralbereich mit einem Maximum von 78 Prozent bei 500 Nanometer Wellenlänge. Das untere Modul dagegen weist Absorbtionsmaxima zwischen 750 und 800 Nanometer (35 Prozent) und unter 440 Nanometer (32 Prozent) auf. Durch die Kombination beider lichtaktiven Polymerschichten erreichen Kim und Kollegen mit einer an das natürlichen Sonnenspektrum angepassten Kunstlichtquelle maximal einen Wirkungsgrad von 6,7 Prozent bei einer Strahlungsleistung von 20 Milliwatt pro Quadratzentimeter.

Dieser Wirkungsgrad scheint im Vergleich zu kommerziellen Siliziummodulen (~ 15 %) und ausgefeilten Tripelzellen (> 40 %) gering. Doch für Solarzellen mit organischen Polymerhalbleitern ist es ein respektabler Wert. Diese Solarmodule können zudem großflächig auf flexiblen Unterlagen aufgebracht werden. Ein zentraler Vorteil liegt nun in dem einfachen Herstellungsverfahren. Denn statt aufwändige Bedampfungsmethoden zu wählen, konnten diese Polymerhalbleiter nasschemisch aus der Lösung in einige Nanometer dünnen Schichten aufgebracht werden. Auf dieser Basis lassen sich extrem günstige Produktionsprozesse entwickeln.

Bisher sind diese Solarmodule allerdings nur für relativ kurzzeitige Anwendungen geeignet. Denn nach einer Lagerung von 3500 Stunden – etwa ein halbes Jahr – unter einer Stickstoffatmosphäre sank der Wirkungsgrad auf 5,5 Prozent ab. Verantwortlich ist die langsame Zersetzung der organischen Polymere. Doch diesen Nachteil wollen die Forscher mit einer besseren Verkapselung der lichtaktiven Substanzen aus dem Weg räumen.


Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All-Solution Processing, Jin Young Kim et al., Science, Vol. 317, S. 222, DOI: 10.1126/science.1141711
  

• University of California, Santa Barbara:
  http://www.ucsb.edu/

• Center for Polymers and Organic Solids:
  http://www.ipos.ucsb.edu/

• Gwangju Institute of Science and Technology:
  http://www.gist.ac.kr/english/index.php

Weiterführende Literatur:

• N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, F. Wudl, Science 258, 1474 (1992).
  

• G. Yu, J. Gao, J. C. Hemmelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science 270, 1789 (1995).
  

• C. J. Brabec, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 83, 273 (2004).
  

• K. M. Coakley, M. D. McGehee, Chem. Mater. 16, 4533 (2004).