Höhere Wirkungsgrade locken

Bis zu 100 Billiarden Ladungsträger – Elektronen und Elektronenlöcher – können in organischen Solarzellen pro Kubikzentimeter entstehen. Doch bevor sie sich zur Stromerzeugung nutzen lassen, rekombinieren viele Ladungsträger wieder und senken dadurch den Wirkungsgrad. Britische und amerikanische Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass eine ausgeklügelte Wahl der verwendeten Polymere als Donator und Akzeptor in Solarzellen zumindest einen Rekombinationskanal verschließt. Dieses Ergebnis auf der Basis detaillierter Analysen der Zerfallskanäle angeregter Zustände könnte die Effizienz von organischen Solarzellen auf das Niveau von Solarmodulen aus Silizium heben.

Detailreiche Analysen angeregter Spin-Singulett und Spin-Triplett-Zustände waren für dieses Ergebnis nötig. In enger Zusammenarbeit untersuchten die Arbeitsgruppen vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge und vom Department of Chemistry der University of Washington in Seattle zahlreiche Materialkombinationen für organische Solarzellen. Fullerene dienten dabei als Elektronen-Akzeptor und Mischungen aus organischen Polymeren mit Fullerenen als Donator. Abläufe und Dynamik der jeweiligen Zerfallskanäle, die oft zur Rekombination von Elektronen und Elektronenlöchern führten, zeigten sich in Spektren, die die Forscher mit Hilfe einer zeitlich hoch aufgelösten Spektroskopiemethode (Transient absorbtion spectroscopy) aufgezeichneten.

Besonders ein Donator-Copolymer zeichnete sich durch eine ausgesprochen hohe interne Quanteneffizienz von über 80 Prozent aus – PIDT-PhanQ. Wie in anderen verfügbaren Materialkombinationen auch, hob Licht in dem Testmodul Elektron-Loch-Paare in einen angeregten Singulett-Zustand (S₁). Dieser führte zu einer Vielzahl freier Ladungsträger. Doch binnen weniger hundert Nanosekunden rekombinierten viele Ladungsträger wieder miteinander und bildeten Spin-Singulett (¹CT) und Spin-Triplett (³CT)-Zustände.

Da dem Spin-Sigulett-Zustand ein direkter Zerfallskanal in den Grundzustand zur Verfügung stand, waren die beteiligten Ladungsträger für die Stromgewinnung endgültig verloren. Doch der Spin-Triplett-Zustand hätte erst auf ein energetischen Zwischenniveau relaxieren müssen, um danach in den Grundzustand überzugehen. Genau dieser Kanal war bei der Verwendung des PIDT-PhanQ-Copolymers kombiniert mit einem Fulleren-haltigen Akzeptor (PC60BM) jedoch verschlossen. Den Grund dafür sahen die Forscher in der Dynamik dieser Quantenprozesse. Denn der Rückweg des Spin-Tripletts zu freien Ladungsträger vollzog sich deutlich schneller als die Relaxation. So konnten die beteiligten Ladungsträger trotz eingeleiteter Rekombination wieder zur Stromgewinnung betragen.

„Wir konnten zeigen, wie sich Verluste in organischen Solarzellen vermeiden lassen und präsentieren einen klaren Weg für die Maximierung der Effizienz in zukünftigen Modulen“, sagt Simon Gélinas vom Cavendish Laboratory. So ist diese exakte Untersuchung von Spinzuständen in organischen Solarzellen ein wichtiger Schritt, um bei geeigneter Wahl von Akzeptoren und Donatoren die Effizienz von organischen Solarzellen zu erhöhen.

In weiteren Versuchen mit Solarmodulen muss diese Methode allerdings noch zeigen, wie groß die Steigerungen der Wirkungsgrade tatsächlich ausfallen. Grundsätzlich belegt diese Studie, dass das Potenzial von Solarzellen noch lange nicht ausgereizt ist und – zumindest für organische Solarzellen – eine Verdopplung der Wirkungsgrade und damit eine wirtschaftlichere Stromgewinnung durchaus erreichbar ist.

Jan Oliver Löfken

PH