Plastiksolarzelle mit effizienter Ladungstrennung

Photoinduzierte Elektron-Loch-Paare werden von einer molekularen Monolage auseinander gerissen, sodass die Quanteneffizienz der Solarzelle nahezu 100 % erreicht.

Konjugierte Polymere eignen sich hervorragend als aktive Materialien in Solarzellen. Sie sind preiswert und leicht zu verarbeiten, haben eine gute Leitfähigkeit und gute Lichtabsorptionseigenschaften. Bei der Ladungstrennung haperte es jedoch bisher: Die in den Polymeren vom Licht freigesetzten Elektronen und Löcher ließen sich nicht so gut separieren, sodass sie schnell wieder rekombinierten und die Ausbeute relativ gering war. Doch jetzt haben Wissenschaftler der University of Cambridge und der National University of Singapore mit Hilfe einer organischen Monolage die Effizienz einer Plastiksolarzelle verdreifacht.

Die Forscher um Yana Vaynzof und Richard Friend haben zunächst eine Solarzelle aus einer 200 nm dicken Schicht des organischen Polymers Poly(3-Hexylthiophen) oder P3HT hergestellt, die auf ihrer Oberseite mit einer transparenten Schicht aus Zinkoxid und auf ihrer Unterseite mit einer Wolframoxid-Silber-Elektrode bedeckt war. Die externe Quanteneffizienz dieser Solarzelle, also die Zahl der Ladungen, die die Zelle für jedes einfallende Photon abgeben konnte, erreichte bei 500 nm mit ca. 3 % ihren höchsten Wert. Diese eher bescheidene Ausbeute haben die Forscher jetzt mit Hilfe einer zusätzlichen organischen Schicht, die nur eine Monolage dick war, beträchtlich erhöht.

Dazu fertigten sie eine weitere Solarzelle, in der sich zwischen der P3HT- und der Zinkoxidschicht eine Monolage aus Phenyl-C₆₁-Butylsäure (PCBS) befand. Da PCBS ein starker Elektronenakzeptor ist, veränderte die PCBS-Monolage die elektrischen Verhältnisse in der Grenzfläche zwischen der Zinkoxidelektrode und dem P3HT-Polymer. Dadurch verbesserte sich die Trennung der Elektronen von den Löchern und die externe Quanteneffizienz erhöhte sich auf 9 %, wie die Messungen ergaben. Die Forscher schließen daraus, dass die interne Quanteneffizienz nahezu 100 % war, d. h. fast jedes absorbierte Photon erzeugte ein Exziton, also ein gebundenes Elektron-Loch-Paar, das anschließend in ein Elektron und ein Loch zerlegt wurde.

Yana Vaynzof und ihre Kollegen geben folgende Erklärung für die ungewöhnlich effektive Ladungstrennung der neuen organischen Solarzelle. Die PCBS-Monolage entzieht der Zinkoxidschicht Elektronen, sodass die Oberfläche der Schicht positiv und die Monolage negativ geladen ist. Im Grenzbereich zwischen der Zinkoxid- und der P3HT-Schicht entsteht ein elektrisches Feld von 5×10⁵ V/cm. Gerät ein Exziton, das von einem Photon erzeugt wurde, in diesen Grenzbereich, so wird sein Elektron von dem dort herrschenden elektrischen Feld in die Zinkoxidschicht gezogen, während das positive Loch in der P3HT-Schicht bleibt und schließlich zur Wolframoxid-Silber-Elektrode wandert. Auf diese Weise kommt es zu einer sehr effektiven und dauerhaften Ladungstrennung.

In der untersuchten Solarzelle waren die Oberflächen der Zinkoxid- und der P3HT-Schicht sehr glatt. Ihre Rauigkeit betrug nur etwa 3 nm. Durch Strukturierung dieser Schichten ließe sich die Grenzfläche, in der die freien Ladungsträger erzeugt werden, wesentlich vergrößern. Die Forscher sind zuversichtlich, dass sie auf diese Weise die Eigenschaften der neuen Solarzelle weiter verbessern können.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• Dana C. Olson et al.: Hybrid photovoltaic devices of polymer and ZnO nanofiber composites. Thin Solid Films 496, 26 (2006)
  dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.179

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