Elektronen-Autobahn: So sollen organische Solarzellen effizienter werden
Forscher der TU München haben den Transport elektrischer Ladungsträger optimiert. Das soll die Energieausbeute organischer Solarzellen verbessern.
Photovoltaik am Bremer Weserstadion
(Bild: heise online / anw)
- Jan Oliver Löfken
Silizium ist mit weitem Abstand das wichtigste Material für Solarzellen. Doch auch organische Moleküle eignen sich gut, um Sonnenlicht über den photovoltaischen Effekt in nutzbaren Strom umzuwandeln. Diese lichtaktiven organischen Materialien ermöglichen im Unterschied zu Silizium günstig gedruckte und flexible Solarzellen, die sich auf verschiedenste gewölbte Flächen setzen lassen.
Silizium ist bislang effizienter
Allein der Wirkungsgrad organischer Solarzellen – den aktuellen Rekord halten mit 19,2 Prozent Forschende von der Shanghai Jiao Tong University – hinkt deutlich hinter den rund 26 Prozent der derzeit effizientesten Silizium-Zellen hinterher. Diese Lücke könnte mit einem optimierten Transport der Ladungsträger in einer Solarzelle schrumpfen. Eine Grundlage dazu legte nun das Team um Frank Ortmann von der Technischen Universität München.
Die Münchener Forschenden untersuchten mit Experimenten und theoretischen Modellen die elementaren Transportprozesse von organischen Solarzellen. Sie konzentrierten sich auf Elektronen-Loch-Paare, die in den Solarzellen durch das einfallende Sonnenlicht erzeugt werden. Für diese sogenannten Exzitonen konnten Ortmann und Kollegen aus organischen Farbstoffen Exzitonen-Autobahnen kreieren, auf denen die Ladungsträger schneller als bisher zu einer Grenzfläche für die Stromerzeugung gelangen. "Je schneller und gezielter der Transport abläuft, desto besser ist die Energieausbeute – und damit die Effizienz der Solarzelle", sagt Ortmann. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden im Fachblatt "Nature Communications".
Günstig aus dem Drucker
Möglich wurden diese optimierten Transportwege mit speziellen Farbstoffen, chinoide Merocyanine genannt. Spektroskopische Analysen und Modellrechnungen zeigten, dass diese Moleküle einen vorteilhaften molekularen Aufbau hatten und zudem Sonnenlicht sehr gut absorbierten. Als ein Maßstab für diese Eigenschaften boten die Farbstoffe eine Bandlücke von 1,33 Elektronenvolt. Damit übertreffen sie bisher genutzte organische Halbleiter bei Weitem. Auf dieser Basis besteht nun die Möglichkeit, den gezielten Exzitontransport in organischen Feststoffen zu optimieren.
In weiteren Schritten könnten mit den chinoiden Merocyaninen nun leistungsfähigere organische Solarzellen oder organische Leuchtdioden entwickelt werden. Ob solche kommenden Prototypen dann tatsächlich Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent erreichen, lässt sich heute noch nicht sagen. Allerdings ermöglichen nicht nur organische Farbstoffe flexible und günstig druckbare Solarzellen. Auch Perowskite sind prinzipiell dazu geeignet. Und diese reinen Perowskit-Solarzellen erreichen im Labormaßstab mit einem Rekordwert von derzeit 26,1 Prozent schon eine höhere Effizienz.
(jle)