Tuning der aktiven Schichtmorphologie von Solarzellen zur Leistungssteigerung
Niedrige Produktionskosten, umweltfreundliche Verfahren für Materialsynthese und Materialflexibilität lassen OPV im Vergleich zu ihren anorganischen Gegenstücken den Vorzug. Ihre Effizient wird allerding durch schlechte Morphologie und begrenzte Lebensdauer beeinflusst - einem erheblichen Hindernis für ihre Vermarktung. In dem EU-finanzierte Projekt "Block copolymers for high efficient solar cells with novel structures" (CHESS) bauten Wissenschaftler Blockcopolymere in die Mischung ein, die die aktive Schicht der OPV bildet. Sie wandten Verfahrenstechniken an, um Bulk-Heterojunction OPV mit erhöhter Stabilität für eine eventuelle industrielle Nutzung herzustellen. Durch eine Steigerung der Effizienz und der Lebensdauer von OPV sollten diese im Vergleich zu anorganischen Solarzellen wettbewerbsfähiger zu machen. Blockcopolymere sind in der Lage, gut kontrollierten Nanostrukturen zu bilden und als Kompatibilisatoren in den jeweiligen Homopolymermischungen zu fungieren. Die Wissenschaftler nutzten diese Eigenschaften, um stabile Nanomorphologien mit optimaler Domänengröße - Spezifikationen, die für OPV-Anwendungen wünschenswert sind, zu bilden. Eine integrierte Studie wurde durchgeführt, ausgehend vom Copolymer-Design und Synthese bis zu ihrem Einbau in den Photovoltaik-Geräten und ihre Leistungsbewertung. Insbesondere Stab-Knäuel-Blockcopolymere, die einen Elektronen-Donor-Halbleiterblock umfassen und einen mit Bedacht ausgewählten Spulenblock (z.B. ein Polymer mit niedriger Glasübergangstemperatur) wurden synthetisiert und mit etablierten organischen Donor -/ Akzeptormaterialien vermischt. Das Team charakterisierte die Mischungen mit einer thermoanalytischen Technik, ergänzt durch Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuungsexperimente, um ihre vollständigen Phasendiagramme abzuleiten. Die Projektmitglieder untersuchten die ternäre Mischungsmorphologie in den aktiven Schichten der neuen Solarzellen intensiv. Sie schlossen daraus, dass die Anwesenheit des Copolymers eine optimierte Bulk-Heterojunction- Netzwerkbildung antreibt, die die Photonen-Absorption, effiziente Exziton-Dissoziation und den verbesserten Ladungstransport stimuliert. Anschließend wurde ein maximaler Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 4,5% erreicht. Gleichzeitig wurde die Stabilität der Vorrichtung im Laufe der Zeit verlängert. Die großmaßstäbliche Integration von Vorrichtungen sollte die Vermarktung der Produkte der Projektmitglieder erleichtern, was der EU auf Gemeinschaftsebene zugutekommt und ihre Wettbewerbsfähigkeit verbessert.
Schlüsselbegriffe
Organische Photovoltaik, Solarzelle, Lebensdauer, Block-Copolymer, aktive Schicht, Stabilität, Verträglichkeit, Homopolymermischung, Nano-Morphologie, Röntgenstreuung
