Ladung trennen leicht gemacht
Organischen Solarzellen mangelt es noch an Effizienz. Materialien, die bisher ungenutztes rotes und infrarotes Sonnenlicht ernten, offenbaren jetzt neue Seiten.
Organische Solarzellen können Sonnenenergie mit einer Ausbeute von aktuell rund neun Prozent in elektrische Energie umwandeln. Um diese Solarzellen wirtschaftlich zu nutzen, muss sich ihre Effizenz weiter erhöhen. Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz neuartiger Materialien, sogenannter Low-Bandgap Polymere. Diese Verbindungen besitzen besonders kleine Bandlücken. Bei einer Bandlücke handelt es sich um die Lücke oder Stufe, die ein Elektron überwinden muss, um in einen angeregten Zustand zu gelangen.
Abb.: Vereinfachte elektronische Struktur von Donator-Akzeptor Co-Polymere geringer Bandlücke mit HOMO- und LUMO-Niveaus der funktionalen Gruppen, aus denen die Polymerkette aufgebaut ist (Bild: Tautz et al. / NPG)
In Low-Bandgap Polymeren gelingt die Anregung auch durch Sonnenlicht mit wenig Energie, wie beispielsweise rotes Licht. Doch zu der kleinen Bandlücke muss ein weiterer Faktor hinzukommen, denn sie allein kann nicht die gesamte gemessene Effizienzsteigerung erklären.
Ein Forscherteam um den LMU-Professor Jochen Feldmann ist dem fehlenden Puzzleteil nun auf die Spur gekommen. Über die systematische Untersuchung diverser Low-Bandgap Polymere mit Hilfe von Ultrakurzzeit-Spektroskopie erlangten die Physiker entscheidende Erkenntnisse über deren Funktionsprinzip und konnten zeigen: Ihre chemische Struktur weist deutlich mehr sogenannte schwächer gebundene Ladungspaare auf als herkömmliche Polymere.
Werden Elektronen angeregt, springen sie auf ein höheres Energieniveau und lassen ein virtuelles Loch zurück. Diese Trennung des Ladungspaares in Elektronen und Löcher ist die Voraussetzung, dass Strom fließen kann. In herkömmlichen Polymeren muss für diese Trennung ein großer Spannungsverlust in Kauf genommen werden. Dieser ließe sich in Zukunft mit Low-Bandgap Polymeren reduzieren, denn aufgrund ihrer besonderen Struktur entsteht ein erheblich größerer Teil an leichter zu trennenden Polaronen-Paaren.
„Die Entstehung von Polaronen-Paaren liegt in herkömmlichen Polymeren lediglich im einstelligen Prozentbereich, wohingegen wir in manchen Low-Bandgap Polymeren bis zu 25 Prozent nachweisen konnten“, erklärt Raphael Tautz. „In unserer Arbeit haben wir erstmals gezeigt, dass ihre spezielle Struktur mit wechselnden Bausteinen entlang der Polymerkette einen sehr großen Einfluss auf die Art der erzeugten Ladungsträgerpaare hat. Dies könnte bei der weiteren Verbesserung solcher Materialien ganz neue Möglichkeiten ergeben“.
LMU / OD
