Mehr Strom aus organischen Solarzellen

Flexibel, günstig und vielseitig einsetzbar: Organische Solar­zellen bieten im Vergleich zu Modulen auf Silizium­basis viele Vorteile. Allein der Wirkungs­grad orga­nischer Solar­zellen hinkte mit höchstens 14 Prozent der Silizium-Kon­kurrenz mit mehr als 25 Prozent für Labor­zellen deutlich hinterher. Doch mit einem neuen Effizienz­rekord von 17,3 Prozent schafften nun chinesische Wissen­schaftler von der Nankai University in Tianjin einen großen Schritt nach vorne. Den neuen Höchst­wert erreichten sie mit einer Tandem­zelle und geschickt ausgewählten, Sonnen­licht absor­bierenden Materia­lien.

Yongsheng Chen und seine Kollegen unter­suchten vor dem Bau ihrer Proto­typen syste­matisch die Ursachen für die bisher geringen Wirkungs­grade von organischen Solar­zellen. Sie sahen in der geringen Beweg­lichkeit von Ladungs­trägern – Elektronen und Elektronen­löcher – und in einer verminderten Absorption von Sonnen­licht durch die licht­aktiven Substanzen als wichtigste Gründe. Um dieses Problem zu beheben, wählten sie aus der Vielzahl verfüg­barer Substanzen genau die orga­nischen Materialien aus, die sich zur Nutzung des Sonnen­lichts am besten ergänzen konnten. Denn im Vergleich zu Silizium weisen die Band­lücken organischer Materialien je nach Zusammen­setzung signi­fikante Unter­schiede auf.

Die Kombi­nation von Materialien mit verschie­denen Bandlücken setzten die Forscher mit einem Tandem-Konzept um. Jede Solar­zelle bestand aus gleich zwei licht­aktiven Schichten, die das Sonnenlicht absor­bieren und in elek­trischen Strom umwandeln konnten. Die obere, in einem nass­chemischen Verfahren aufgetragene Schicht aus dem Thiophen-Polymer PBDB-T:F-M nutzte das Sonnenlicht im Wellenlängen­bereich zwischen 300 und 720 Nano­metern mit einem maximalen Effizienz bei 560 Nano­metern. Die darunter liegende Schicht auf der Basis des Polymers PTB7-Th fing dagegen effi­zienter Photonen mit etwas gering­erer Energie im Wellenlängen­bereich zwischen 720 und 1050 Nanometern ein.

Beide Materialien testeten sie separat in einzelnen Solar­zellen, die allein jedoch nicht über einen Wirkungs­grad von mehr als zwölf Prozent hinauskamen. Die jeweilige Quanten­ausbeute (EQE) rangierte jeweils dennoch bei relativ hohen Werten um etwa 70 Prozent. Für ihren Prototyp schichteten die Forscher nun die licht­aktiven Substanzen in einen Stapel aus insgesamt neun Lagen inklusive nicht leitenden Trenn­schichten, einer trans­parenten Elektrode aus Indiumzinnoxid auf der Vorderseite und einer hauch­dünnen Silber­schicht als Rückkontakt.

Test­messungen mit mehr als 50 Solarzell-Proto­typen ergaben einen mittleren Wirkungs­grad von knapp 17 Prozent. Einzelne organische Tandemzellen erreichten sogar knapp mehr als 17,3 Prozent bei einer Spannung von etwa 1,6 Volt. Die maximale Stromdichte rangierte bei 14 bis 15 Milliampere pro Quadrat­zentimeter. Ein Langzeit­versuch zeigte, dass die hohe Effizienz binnen 166 Tagen nur um vier Prozent abnahm. „Mit diesem Wirkungs­grad bewegen sich die organischen Tandem­zellen nur noch knapp unter den Wirkungs­graden der kommer­ziellen Solarzell-Industrie“, sagt Yongsheng Chen.

In weiteren Entwicklungs­schritten wollen die Chen und Kollegen die Halt­barkeit der organischen Tandem­zellen, insbe­sondere in feuchter Umgebung, weiter steigern. Auch weitere Effizienz­steigerungen auf bis zu 25 Prozent Wirkungs­grad hält Chen mit einer weiter optimierten Auswahl der licht­aktiven Schichten für möglich. Spätestens dann können organische Solar­zellen mit den etablierten Silizium-Solar­zellen und den ebenfalls vielver­sprechenden Perowskit-Solar­zellen bei zugleich deutlich gerin­geren Fertigungs­kosten kon­kurrieren.

Jan Oliver Löfken

JOL