Neue Materialien für hocheffiziente organische Solarzellen

Zusammen mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern haben Jülicher Photovoltaik-Forscher neuartige organische Solarzellen mit gesteigerter Energieausbeute entwickelt. Diese nutzen Materialien aus speziellen Molekülen, die eine Reihe von Vorteilen bieten: Sie absorbieren Licht besser, sind stabiler und kostengünstiger herzustellen als die bisher verwendeten Werkstoffe.

Organische Solarzellen basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie herkömmliche Siliziumsolarzellen. Von der Leistung her sind diese Plastiksolarzellen ihrem Vorgänger aus Silizium noch unterlegen, doch sie haben stattdessen eine Reihe von Vorteilen. Da sowohl Materialien als auch Herstellungsverfahren sehr preisgünstig sind, lassen sich mit ihnen die Kosten für eine umweltfreundliche und nachhaltige Energieerzeugung stark reduzieren. Die hauchdünnen Plastikschichten, die Elektronen freisetzen und aufnehmen, können flexibel sein und eröffnen eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten und Anwendungen: etwa transparente Solarmodule in Fensterflächen oder in Kleidung integrierte Stromerzeuger, wie Ladegeräte für Handys.

Die in organischen Solarmodulen verwendeten leitfähigen Moleküle können Photonen sehr gut aufnehmen – deshalb genügen schon Schichtdicken von etwa hundert Nanometern. Um jedoch einen Stromfluss zu gewährleisten, müssen die durch das Licht freigesetzten Elektronen auch aus dem Material extrahiert werden. Dazu wird es angereichert mit sogenannten Fullerenen: hohle, in sich geschlossene Moleküle aus sechzig oder siebzig Kohlenstoffatomen in der Form eines mikroskopischen Fußballs, die als sogenannte Elektronenakzeptoren fungieren. Allerdings sind diese Kohlenstofffußbälle nur schlecht in der Lage, sichtbares Licht aufzunehmen – offensichtlich ein entscheidender Nachteil für Solarzellen. Auch sind die Fulleren-haltigen Materialien vergleichsweise energieintensiv in der Herstellung und nicht sehr stabil. Deshalb suchen Forscher nach Alternativen: Moleküle mit der elektrischen Leitfähigkeit von Fullerenen, doch ohne deren Schwachpunkte.

Die Photovoltaikforscherin Derya Baran vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung und dem Imperial College London ist die Erstautorin von zwei Studien, in denen ein internationales Team von Wissenschaftlern neue Materialen für organische Solarzellen vorstellt – ohne Fullerene. Mit ihnen lassen sich Effizienz und Stabilität der Zellen steigern, bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten.

Die eine Studie präsentiert ein neues Solarzellenmaterial aus drei verschiedenen Molekülen. Die komplexe Dreifachmischung aus einem Polymer und zwei kleinen Molekülen als Elektronenakzeptoren übertrifft in ihrer Leistung Mischungen mit nur einer Art von Akzeptormolekül. Darüber hinaus erlauben die verwendeten Moleküle die Nutzung von stabileren Polymeren, die außerdem einfach zu produzieren sind. Das senkt die Herstellungskosten. Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus dem neuen Material übertrifft mit 7,7 Prozent den von Fullerene-haltigen Zellen mit dem gleichen Polymer bei weitem und lässt sich bei Verwendung von komplexeren Polymeren auf bis zu 11 Prozent steigern.

Die zweite Studie beschäftigt sich mit einem anderen Schwerpunkt der Photovoltaikforschung: Einer der wichtigsten Qualitätsfaktoren von Solarzellen ist die Energieausbeute pro Photon. Auch bei geringer Photonenenergie – also bei langwelligem, wie rotem oder infrarotem, Licht – muss noch Strom fließen. In Fulleren-haltigen organischen Solarzellen ist dieses „Preis-Leistungs-Verhältnis“ zwischen Photonenenergie und erzeugter Spannung – verglichen mit den konventionellen Silizium-Solarzellen – recht hoch. Die Forscher konnten zeigen, dass auch hier alternative Fulleren-freie Materialien Abhilfe schaffen. Die Fulleren-freien Schichten zeigen weitaus weniger Verluste: Sie können einen großen Teil des Lichtspektrums zur Energieerzeugung nutzen.

FZJ / OD