Sonnenstrom aus neuen Molekülen

US-Forscher haben eine niedermolekulare Verbindung entwickelt, mit der sich bessere organische Solarzellen herstellen lassen könnten.

Viel Geld wird in die Forschung an organischen Solarzellen gesteckt. Denn obwohl ihr Wirkungsgrad deutlich niedriger ist als der von herkömmlichen Siliziumzellen – etwa ein Drittel –, haben sie einen Vorteil: Die Moleküle, aus denen ihre lichtsammelnde Schicht besteht, lassen sich als Flüssigkeit kostengünstig auf Trägerfolien aufdrucken. Damit werden Solarzellen möglich, die leicht, biegsam und vielfältig einsetzbar sind.

Die Chemiker Guillermo Bazan und Alan Heeger von der University of California in Santa Barbara haben nun ein Molekül „designt“, dass organische Solarzellen noch leistungsfähiger machen könnte. Bereits der Prototyp kommt auf einen Wirkungsgrad von 6,7 Prozent. Bazan rechnet damit, ihn auf neun Prozent steigern zu können. Damit würden die Zellen mehr Licht in Strom umwandeln als bereits auf dem Markt befindliche Produkte wie „Power Plastic“ von Konarka, dessen Spitzenwert derzeit bei 8,3 Prozent liegt.

Firmen wie Konarka und viele Forschungsgruppen arbeiten mit leitfähigen Polymeren, langkettigen Kohlenwasserstoffen, für deren Herstellung Bazan und Heeger im Jahre 2000 den Chemienobelpreis bekamen. Bazan hingegen hat jetzt eine niedermolekulare Verbindung – im Fachjargon „small molecule“ – ausgetüftelt. Small molecules haben gegenüber leitfähigen Polymeren den Vorteil, dass sie sich leichter reinigen und zu komplexeren Schichtsystemen verarbeiten lassen. Bislang dümpelte ihr Wirkungsgrad jedoch bei zwei bis vier Prozent herum.

Bazan experimentierte mit verschiedenen organischen Molekülen, aus denen er schließlich die Verbindung DTS(PTTh2)2 zusammenfügte*. Sie kann die in einer Solarzelle nötigen hohen Stromstärken und Spannungen aushalten. Der Wellenlängenbereich, in dem sie Licht absorbiert, liegt zwischen 600 und 800 Nanometern Länge. Die Spitzenabsorption unter Standard-Testbedingungen tritt bei 700 Nanometern auf.

Die Prototypenzelle ist noch auf einem Glasträger aufgebaut, der mit dem gängigen Elektrodenmaterial Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtet ist. Auf dieser befindet sich eine neun Nanometer starke Zwischenschicht aus Molybdänoxid, um positiv geladene Elektronenlöcher anzuziehen. Das DTS(PTTh2)2 wird hierauf mittels Rotationsbeschichtung als 180 Nanometer starker Film aufgebracht, auf den eine Aluminiumschicht als Kathode folgt. Die Prototyp-Zelle folgt damit dem gängigen Schema der so genannten „hybriden Solarzellen“: Das einfallende Licht erzeugt iom organischen Molekül – schwach gebundene – Elektronen-Loch-Paare, die von den Akzeptormolekülen „abgesaugt“ werden.

Alan Heeger hatte Small Molecules anfänglich skeptisch gegenüber gestanden, weil sie sich für photovoltaische Anwendung kaum eigneten. „Einige Leute haben damit schon gearbeitet, aber die Leistungsfähigkeit lag immer weit unter der von Polymeren“, sagt Heeger.

Auch wenn Bazan und ihm bei dem neuen Material ein Durchbruch gelungen ist, dürften es organische Solarzellen auf dem Markt schwer haben, wenn der Preis von Siliziumzellen weiter fällt. „Ihre Performance und Lebensdauer können noch nicht mithalten“, sagt Yang Yang, Materialwissenschaftler an der University of California in Los Angeles. Yang setzt mit seiner Firma Solarmer in erster Linie auf Polymer-Zellen, testet im Labor allerdings auch Small Molecules. Die Arbeit von Bazan und Heeger zeige das Potenzial dieser Materialklasse, sagt Yang, der ihr einen Wirkungsgrad von 15 Prozent zutraut – jedenfalls in Laborprototypen.

Auf Spekulationen über Erfolgsaussichten für Solarzellen aus Small Molecules will Heeger sich noch nicht einlassen. „Wir sollten sie jetzt aber ernst nehmen“, bekräftigt er.

*Die vollständige chemische Bezeichnung für DTS(PTTh2)2 lautet:
5,5′ -bis{(4-(7-hexylthiophen-2-yl)thiophen-2-yl)-[1,2,5]thiadiaz- olo[3,4-c]pyridine}-3,3′ -di-2-ethylhexylsilylene-2,2′ -bithiophene

Das Paper:
Sun, Yanming et al.: "Solution-processed small-molecule solar cells with 6.7% efficiency", Nature Materials, 6.11.2011, (Abstract) (nbo)