Orientierung entscheidet über Wirkungsgrad

Etwa zehn Prozent Wirkungsgrad erreichen die besten organischen Solarzellen und hinken damit herkömmlichen Silizium-Modulen weit hinterher. Auf dem schwierigen Weg, diesen Unterschied schrumpfen zu lassen analysierte eine amerikanische Arbeitsgruppe nun die Ausrichtung der lichtaktiven Moleküle genauer. Dabei erkannten sie, dass die Anordnung zwischen Akzeptoren und Donatoren von Elektronen einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad hatte. Ausgehend von diesen Messungen könnten nun die Produktionsverfahren für organische Solarzellen weiter optimiert werden.

„Es gibt eine Menge an Mischzuständen auf molekularer Ebene. Das ist ein kompliziertes Problem“, sagt Harald Ade vom Department of Physics der North Carolina State University in Raleigh. Mit seinen Kollegen konzentrierte er seine Strukturanalysen auf Solarzellen, die kugelförmige Fulleren-Cluster als Elektron-Akzeptoren und flach aufgebaute Polymere als Elektron-Donatoren nutzten. Um die vorherrschende Ausrichtung dieser Moleküle zueinander zu ermitteln, nutzten sie die Streuung von weicher Röntgenstrahlung (P-SoXS).

Diese Messungen ergaben einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Molekülorientierung. „Wenn die organischen Elektron-Donatoren flach um die Fullerene angeordnet sind, bestehen die besten Bedingungen für einen Ladungstransport und eine unterdrückte Rekombination in organischen Solarzellen“, erklärt Ade. Berührten die Fullerene die flachen Elektronen-Donatoren dagegen nur an den Kanten, sank der Wirkungsgrad signifikant. So erreichten organische Solarzellen mit wenig Kontakten zwischen den Molekülen Wirkungsgrade um zwei Prozent. Schmiegten sich dagegen die Elektronen-Donatoren flach an die Fullerene an, lieferten die Solarzellen fast die dreifache Strommenge.

Welche Prozesse genau bei der durch Sonnenlicht induzierten Erzeugung von Exzitonen und anschließender Ladungstrennung abliefen, konnten Ade und Kollegen bisher noch nicht erkennen. Dennoch gibt ihre Analysemethode wichtige Hinweise darauf, welche Produktionsverfahren und Lösungsmittel am besten für eine effiziente Anordnung der lichtaktiven Polymere und der Fullerene geeignet sind. Mit weiteren Messungen ließe sich die Fertigung organischer Solarzellen Schritt für Schritt optimieren. Doch bis dieses Wissen in potenziell günstigen Rolldruckverfahren für flexible organische Solarzellen Verwendung findet, könnten noch Jahre ins Land gehen.

Jan Oliver Löfken

PH