Röntgenblick in die Kunststoff-Solarzelle
Beobachtung von Vorgängen auf molekularer Ebene könnte Effizienz verbessern.
Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen sind aus Kunststoff bestehende organische Solarzellen. Diese lassen sich als dünner Film mit einem industriellen Drucker herstellen. Die Installation eines solchen Films an verschiedenen Orten ist unkompliziert. Außerdem ist es möglich, die Farbe und Form der Solarzellen zu verändern. Allerdings gibt es einen Nachteil: Noch reicht die Effizienz der organischen Photovoltaik nicht an die Silizium-Solarzellen heran.
Abb.: Ein Drucker, mit dem Solarzellen aus Kunststoff hergestellt werden können. (Bild U. Benz, TU München)
Eine Stellschraube, um mithilfe der flexiblen Solarzellen mehr Energie zu gewinnen, ist die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials. Denn wie bei der klassischen Solarzelle müssen freie Elektronen erzeugt werden. Dazu benötigen Kunststoff-Solarzellen zwei Materialtypen: Einen, der Elektronen abgibt, den Elektronendonator, und einen, der sie wieder aufnimmt, den Elektronenakzeptor. Diese Materialien müssen eine möglichst große Grenzfläche zueinander aufweisen, um Licht in Strom umzuwandeln. Wie genau sich die Moleküle beim Drucken der Solarzellen zueinander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungsvorgangs wachsen, ist bislang nicht bekannt.
„Um die Anordnung der Bausteine gezielt beeinflussen zu können, müssen wir verstehen, was auf molekularer Ebene passiert“, erklärt Eva Herzig von der Munich School of Engineering. Solche kleinen Strukturen innerhalb eines trocknenden Films zeitaufgelöst zu messen ist eine experimentelle Herausforderung. Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory Röntgenstrahlung, um die Moleküle und deren Prozesse während des Druckens eines Kunststoff-Films sichtbar zu machen. Dabei identifizierte er verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen.
Anfangs verdampft das Lösungsmittel, wodurch sich die Konzentration der Kunststoffmoleküle im noch feuchten Film stetig erhöht. Ab einer gewissen Konzentration beginnt das Material, das als Elektronendonator fungiert, zu kristallisieren. Die Moleküle des Elektronenakzeptors bilden Aggregate. Die Elektronendonator-Kristalle vergrößern sich schnell, was dazu führt, dass sich auch die Elektronenakzeptor-Aggregate weiter zusammenschieben. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenzflächen zwischen den beiden Materialien fest. Diese sind entscheidend für die Effizienz. Um die Solarzellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozessschritt angesetzt werden. In der letzten Phase finden noch Optimierungsprozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungsdichte in den Kristallen.
„Die Geschwindigkeit der Herstellung spielt eine wichtige Rolle“, erklärt Pröller. Bei schnelleren Trocknungsvorgängen bleibt der Ablauf zwar gleich. Allerdings beeinflussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Strukturbildung. Eine langsamere Strukturbildung wirkt sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus. Die Forscher wollen nun die gewonnenen Kenntnisse der Abläufe nutzen, um gezielt mit weiteren Parametern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Diese Ergebnisse können dann in die industrielle Herstellung übertragen und diese damit optimiert werden.
TUM / RK
