Hybrid-Solarzellen mit Nanopartikeln

Hybrid-Solarzellen vereinen die Vorteile von Polymeren und anorganischen Halbleitern. (aus: "Physik in unserer Zeit")

Die organische Photovoltaik auf der Basis halbleitender Polymere bietet eine kostengünstige Alternative zu Solarzellen aus Silizium. Allerdings weisen die organischen Materialien relativ schlechte Ladungstransporteigenschaften auf. Hybrid-Solarzellen, in denen Polymere mit geeigneten anorganischen Halbleitern kombiniert sind, besitzen einerseits die praktischen Vorteile der Organik und andererseits die hohe Elektronenbeweglichkeit der anorganischen Materialien. Wissenschaftler der Technischen Universität Eindhoven haben kürzlich Hybrid-Solarzellen vorgestellt, die aus einem halbleitenden Polymer mit Zinkoxid-Nanopartikeln bestehen.

Fällt Licht auf einen pn-Übergang, entstehen Elektronen und Löcher, die in die Übergangsschicht diffundieren und dort eine Spannung aufbauen. Dieser photovoltaische Effekt beschreibt das Prinzip der Solarzelle. Bei organischen Halbleitern sind die erzeugten Elektronen-Loch-Paare stark gebunden und führen nur unmittelbar an der Grenze zwischen p- und n-Halbleiter zu trennbaren Ladungen.

Diese Beschränkung lässt sich umgehen, indem man die Grenzfläche möglichst groß macht oder beide Halbleiter mischt, so dass sie überall innerhalb der Schicht aneinandergrenzen. Außerdem ist eine hohe Beweglichkeit der Ladungsträger erforderlich, um die Ladungen effektiv zu sammeln und Verluste durch Rekombination zu verhindern. Geeignete Kandidaten für photovoltaische Anwendungen sind daher zum Beispiel Gemische aus halbleitenden Polymeren und anorganischen Nanopartikeln wie nanokristallinem Zinkoxid (nc-ZnO). Die etwa 5 nm großen Zinkoxid-Nanopartikel bieten nicht nur die gewünschte hohe Elektronenbeweglichkeit, sondern sind außerdem billig, umweltfreundlich und lassen sich in hoher Reinheit bei niedrigen Temperaturen synthetisieren.

Waldo Beek und seine Kollegen kombinierten das Polymer MDMO-PPV, das aufgrund seiner konjugierten Doppelbindungen p-Halbleitereigenschaften besitzt, mit n-halbleitenden Zinkoxid-Nanopartikeln. Aufgrund der Energieniveaus ist zu erwarten, dass an der Grenze zwischen dem durch Licht angeregten MDMO-PPV und dem nc-ZnO ein Elektronentransfer stattfindet, der die photoinduzierte Entstehung von Elektronen und Löchern ermöglicht.

Dass dieser Prozess tatsächlich funktioniert, zeigten die Wissenschaftler anhand von Solarzellen aus MDMO-PPV und nc-ZnO. Sie präparierten dazu aus beiden Substanzen eine Lösung (67 % nc-ZnO) und verarbeiteten diese zu einer etwa 80 nm dünnen homogene Schicht, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden eingeschlossen ist. Als Elektroden dienen auf der einen Seite ein Glassubstrat, das mit durchsichtigem Indium-Zinn-Oxid (ITO) und einem ebenfalls transparenten leitenden Polymer beschichtet ist, auf der anderen Seite eine aufgedampfte Aluminium-Schicht. Die so gefertigte Absorberschicht arbeitete als Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa 1,6 %. Beek und Kollegen sind überzeugt, dass geeignete Kombinationen aus organischen und anorganischen Materialien neue kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeiten für photovoltaische Anwendungen eröffnen.

Angelika Leute, Wuppertal

Quelle: Physik in unserer Zeit

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  W. Beek et al., Adv. Mater. 2004, 16 (12), 1009. 
• Zeitschrift “Physik in unserer Zeit”:
  http://www.phiuz.de