Magnetischer Fingerabdruck zeigt Stromverlust an

Polaronen-Spin beeinflusst den Stromverlust in organischen Solarzellen.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben eine Methode entwickelt, die Stromverluste anhand des magnetischen Fingerabdrucks der stromtragenden Teilchen nachweist. Hierfür manipulieren die Forscher die magnetischen Eigenschaften dieser Teilchen.

Das Herz einer organischen Solarzelle bildet eine nur 100-Millionstel Millimeter dünne Schicht, die aus zwei Bestandteilen besteht: Polymere und fußballförmige Fullerene. Beide sind miteinander vermischt. Fällt Licht auf die Mischschicht, wird das Polymer in einen angeregten Zustand versetzt, den man Exziton nennt. Trifft ein Exziton auf ein Fußballmolekül springt ein Elektron auf das Fulleren und im Polymer verbleibt ein „Loch“. Damit Strom fließt, müssen die Elektronen und Löcher zu den Kontakten an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle gelangen. Die Elektronen hüpfen über das Fulleren, die Löcher auf der Polymerkette. Die Löcher, Wissenschaftler nennen sie Polaronen, können sich auf diesem Weg gegenseitig behindern und senken dadurch den Wirkungsgrad der Solarzelle.

Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Methode, der elektrisch detektierten magnetischen Resonanz (EDMR), sichtbar machen, dass die Polaronen sich immer dann behindern, wenn ihr magnetisches Moment (Spin) identisch ist. „Wir konnten diese schon länger vermutete sogenannte Bipolaron-Bildung erstmals sichtbar machen und somit beweisen“, sagt Jan Behrends vom HZB-Institut für Silizium-Photovoltaik.

Bei der EDMR-Methode manipulieren die Forscher mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes und einer Mikrowelle den Spin der Polaronen. Durch einen Resonanzeffekt lässt sich der vorher zufällig verteilte Spin wie eine Kompassnadel drehen und gezielt beeinflussen. Die Messdaten zeigten, dass der Strom frei fließt, wenn die winzigen Magnete entgegengesetzt ausgerichtet sind und bei gleicher Ausrichtung blockiert wird.

Helmholtz -Zentrum Berlin / Franziska Rott / KK