Was den Stromfluss langsam macht

Ein Team der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie unter der Leitung von Carsten Deibel von der Technischen Universität Chemnitz und weiterer Partnerinstitutionen arbeitet derzeit intensiv an Solarzellen aus neuartigen organischen Halbleitern, die mit etablierten Druckverfahren hergestellt werden können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen gemeinsam und interdisziplinär daran, diese photovoltaischen Zellen aus organischen Halbleitern grundlegend zu verstehen, um sie weiter verbessern zu können. Dies geschieht im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – Popular“, deren Sprecher Deibel ist.

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Stromfluss in Perowskiten

„Organische Solarzellen können sehr einfach und günstig mit Druckverfahren hergestellt werden“, sagt der Chemnitzer Physikprofessor. Im Gegensatz zu etablierten Solarmodulen aus kristallinem Silizium sei der Stromfluss in den organischen Solarzellen aber sehr langsam. „Durch die Herstellung der Solarzellen aus einer Art Tinte sind die organischen, lichtabsorbierenden Schichten sehr ungeordnet. Daher ist der Stromfluss sehr langsam“, erläutert Deibel. Eine Folge des langsamen Transports der durch Licht erzeugten Ladungsträger ist der Transportwiderstand, der den Füllfaktor der Solarzellen und damit die Leistung verringert.

Um die Leistungscharakteristik von organischen Solarzellen besser zu verstehen, haben Deibel und seine Mitarbeiterin Maria Saladina verschiedene Arten von organischen Solarzellen hergestellt, detailliert untersucht und den negativen Einfluss des Transportwiderstands aufgedeckt. Dabei wurden die Strom-Spannungskennlinien unter Beleuchtung, die sich aus dem Wechselspiel aus Ladungsgeneration aus Licht, der Rekombination dieser Ladungsträger und ihrem Transport zu den Elektroden ergeben, gemessen. Diese enthalten die Informationen zur Leistungseffizienz der Solarzellen. 

Die Strom-Spannungskennlinien werden mit der Suns-Voc-Methode verglichen. Diese Methode erlaubt anhand der Messung der Leerlaufspannung unter verschiedenen Beleuchtungsintensitäten, eine alternative Strom-Spannungskurve zu konstruieren, die nicht durch Ladungstransportverluste wie den Transportwiderstand limitiert sind. „Der Transportwiderstand ist ein Resultat der langsamen Ladungsträger in den ungeordneten – aus organischer Tinte prozessierten – Solarzellen. So stehen sich die Ladungsträger selbst im Weg und führen zu einem Verlust von Füllfaktor und damit Leistung“, so Saladina.

Obwohl die Optimierung organischer Solarzellen wegen dieser neuen Ergebnisse neu bewertet werden muss, gibt es kein grundsätzliches Hindernis, um hocheffiziente, gedruckte organische Solarzellen zu fertigen. In einem Perspektiv-Artikel, geschrieben von Chen Wang, Carsten Deibel und Maria Saladina zusammen mit renommierten Koautoren von verschiedenen deutschen Universitäten, werden der physikalische Ursprung des Transportwiderstands und die Bedeutung für Solarzellen genau erklärt. 

„In den letzten Jahren ist der Ladungstransport immer weiter verbessert worden, ohne dass in der Forschergemeinde der genaue Zusammenhang zwischen Füllfaktorverlusten und Transportwiderstand genauer bekannt war“, sagt Deibel. Saladina ergänzt: „Neben der Rekombination wird auch der Transportwiderstand durch die Form der Zustandsdichte der organischen Solarzellen bestimmt. Das zeigt, dass wir Schritt für Schritt die physikalischen Grundlagen dieser photovoltaischen Bauelemente immer besser verstehen." Diese Ergebnisse sind im Rahmen der DFG-Forschergruppe Popular erzielt worden, die auch weiter an dem Verständnis und der Verbesserung von gedruckten organischen Solarzellen arbeitet.

TU Chemnitz / DE