25.03.2020 • Energie

Schwingende Moleküle in Solarzellen

Ursache für geringe Leerlaufspannungen in organischen Solarzellen gefunden.

Solarzellen sind ein Kristalli­sationspunkt großer Hoffnungen bei der notwendigen Umstellung der globalen Energie­erzeugung. Die organische Photo­voltaik basiert dabei auf organischen, also kohlenstoffbasierten Materialien und könnte bestens geeignet sein, eine wichtige Stütze im Energiemix zu werden, weil sie verglichen mit herkömmlichen silizium­basierten Modulen eine bessere Ökobilanz aufweist und es für die dünnen Filme nur geringen Materialeinsatzes bedarf. Notwendig ist aber eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads, der auf verschiedenen Kennwerten, wie etwa der Leerlauf­spannung, beruht. Die zu geringe Leerlauf­spannung ist aktuell ein Hauptgrund für noch recht moderate Effi­zienzen organischer Solarzellen.

Abb.: Illustration der Erzeu­gung von Elektron-Loch Paaren, der Vorstufe von...
Abb.: Illustration der Erzeu­gung von Elektron-Loch Paaren, der Vorstufe von freien Ladungs­trägern in der aktiven Schicht einer orga­nischen Solar­zelle. (Bild: M. Panhans)

Forscher der Technischen Universität Dresden und der Hasselt University in Belgien untersuchten nun die physikalischen Ursachen dafür – unter anderem die Schwingungen von Molekülen in den dünnen Filmen. Es zeigte sich, dass die Nullpunkts­schwingungen – ein Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung am absoluten Temperatur­nullpunkt charakterisiert – einen wesentlichen Einfluss auf Spannungs­verluste haben können. Eine direkte Beziehung zwischen molekularen Eigenschaften und makro­skopischen Bauelemente-Größen konnte nachgewiesen werden. Die Ergebnisse liefern wichtige Aussagen für die weitere Entwicklung und Verbesserung neuartiger organischer Materialien.

Der Niederenergie­bereich von optischen Absorptions­spektren ist für die Leistung von Solarzellen entscheidend, ist aber im Fall von organischen Solarzellen mit vielen Einfluss­faktoren noch nicht gut verstanden. Nun wurde der mikroskopische Ursprung von Absorptions­bändern in molekularen Misch­systemen sowie ihre Rolle in organischen Solarzellen untersucht. Im Fokus stand die Temperatur­abhängigkeit der Absorptions­merkmale, die unter Berücksichtigung von Molekül­schwingungen theoretisch untersucht wurde. Die sehr gute Übereinstimmung der Simulationen mit den experimentell gemessenen Absorptions­spektren führt zu einer Reihe wichtiger Erkenntnisse.

Die Forscher entdeckten, dass die Nullpunkt­schwingung, vermittelt durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung, eine beträchtliche Absorptions­bandbreite verursacht, über die ein Teil der Energie auch wieder ungenutzt abgestrahlt wird und die Leerlauf­spannung reduziert. Diese Spannungs­verluste können nun aus elek­tronischen und vibro­nischen Molekular­parametern vorhergesagt werden. Ungewöhnlich ist, dass dieser Effekt selbst noch bei Raumtemperatur stark ist und die Effizienz der organischen Solarzelle erheblich einschränken kann.& Verschiedene Strategien zur Verringerung dieser schwingungs­induzierten Spannungs­verluste für eine größere Anzahl von Systemen und unterschiedliche Hetero­übergangs-Geometrien stehen nun zur Diskussion.

TU Dresden / JOL

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