Obwohl die Wirkungsgrade organischer Solarzellen inzwischen auf über zwanzig Prozent gestiegen sind, gibt es physikalische Grenzen, die eine weitere Leistungssteigerung erschweren. Ein Forschungsteam der Linköping Universitet in Schweden, der Universität Potsdam, des Paul-Drude-Instituts in Berlin und anderer Kooperationspartner konnte nun zeigen, welche physikalischen Prozesse eine zentrale Kenngröße für die Leistungsfähigkeit von organischen Solarzellen limitieren. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, langjährige Effizienzgrenzen organischer Solarzellen zu überwinden.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird im Wesentlichen durch drei Kenngrößen bestimmt: den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor, welche die Leistungsfähigkeit in einem Strom-Spannungs-Diagramm beschreiben. Alle drei Parameter müssen weiter optimiert werden, damit organische Solarzellen den etablierten Solarzellen-Technologien wirklich Konkurrenz machen können.
Jüngste Publikationen zeigen jedoch, dass eine Verbesserung der Leerlaufspannung gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Füllfaktors führt – und umgekehrt. Diese Herausforderung wurde jetzt in enger Zusammenarbeit der Forschungsgruppen von Feng Gao (Linköping U), Dieter Neher (U Potsdam) und Safa Shoaee (PDI) gemeinsam mit weiteren Beteiligten angegangen. Das Team konnte zeigen, dass die Erzeugung freier elektrischer Ladungen in der aktiven Schicht der Solarzelle unter gewissen Bedingungen stark von dem elektrischen Feld im organischen Halbleitermaterial abhängt. „Dadurch entsteht eine bislang wenig verstandene Begrenzung des Füllfaktors, die besonders dann relevant wird, wenn Spannungsverluste minimiert werden sollen“, erklärt Neher.
Was den Stromfluss langsam macht
Optimal gedruckt
In organischen Solarzellen werden durch Licht Exzitonen angeregt. Diese bestehen jeweils aus einem negativ geladenen Elektron, das an ein positiv geladenes Loch auf demselben Molekül gebunden ist und sich daher nicht frei bewegen kann. Die Trennung dieser Elektron-Loch-Paare in freie elektrische Ladungen wird über einen Ladungstransfer erreicht, der von den Gruppen von Dieter Neher und Safa Shoaee in den vergangenen Jahren intensiv erforscht wurde. In der aktuellen Arbeit wurden die dabei entwickelten Konzepte in Simulationen der gesamten Solarzelle eingebettet. Dabei zeigte sich, dass die Lebensdauer der Exzitonen und die durch den Ladungstransfer freiwerdende Energie die wichtigsten Parameter sind, die den Füllfaktor bei kleinen Spannungsverlusten bestimmen.
„Die Konkurrenz zwischen Füllfaktor und Leerlaufspannung konnten wir auf wenige physikalische Größen zurückführen und simulieren, wie diese Begrenzung durch eine Vergrößerung der Exzitonen-Lebensdauer signifikant abgemildert werden kann“, sagt Dieter Neher. Experimentelle und theoretische Ergebnisse bestätigen, dass eine verlängerte Exzitonen-Lebensdauer ein entscheidender Schlüssel zur weiteren Effizienzsteigerung ist.
Zur Überprüfung des Ansatzes entwickelte das Team neue Materialkombinationen. Die daraus hergestellten organischen Solarzellen erreichten gleichzeitig hohe Füllfaktoren und eine hohe Gesamtleistung. Das Modell bietet allgemeine Leitlinien für die Materialentwicklung und die Optimierung von Solarzellenbauteilen. Es eröffnet damit neue Möglichkeiten, langjährige Effizienzgrenzen organischer Solarzellen zu überwinden und ihre Leistungsfähigkeit weiter zu steigern. [U Potsdam / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
H. Zhang, J. Yuan, T. Wang, et al., Overcoming the fill-factor limit of organic solar cells, Nat. Photon., 19. Juni 2026; DOI: 10.1038/s41566-026-01946-8 - Electronic and photonic materials, Linköping University, Linköping, Schweden
- Disordered Semiconductors / Heterostructure Semiconductor Physics (Safa Shoaee), Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Berlin
- Soft Matter Physics and Optoelectronics (Dieter Neher), Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam
