Neue Halbleitermaterialien für effiziente organische Photovoltaik
Hohe Effizienz und niedrige Kosten sind von entscheidender Bedeutung, um eine vermehrte Nutzung von Solarzellentechnologie sicherzustellen. Seit 2013 ist die organische Photovoltaik aufgrund ihrer Ineffizienz- und Stabilitätsprobleme ein beliebtes Gebiet in der Solarzellenforschung, auch weil sie niedrige Kosten und Effizienzsteigerung verspricht. Organische Halbleiter mit großer Bandlücke besitzen ein hohes Potenzial, die Erwartungen nach hohen Wirkungsgraden zu erfüllen. Insbesondere organische Polymere mit breiterer Bandbreite als das üblicherweise verwendete anorganische Silizium sind sehr wünschenswert als komplementäre Absorber für Tandemsolarzellen. Im Rahmen von ECOCHEM (Development of low band gap conjugated polymers by ecofriendly synthetic methodologies for high performance organic photovoltaics) entwickelten Wissenschaftler erfolgreich hochstabile konjugierte Polymere mit breiter Bandlücke, die für die industrielle Herstellung von flexiblen großflächigen Geräten viel versprechen. Die Bemühungen konzentrierten sich auf die Entwicklung von alternierenden Copolymeren aus wiederkehrenden Einheiten von Elektronendonor und Elektronenakzeptor-Monomeren. So entwickelten die Wissenschaftler Halbleiterpolymere mit Indacenodithiophen oder Indacenodithienothiophen, die als elektronenreiche Monomere dienten, sowie aus Chinoxalin, Thienopyrrolodion oder Difluorobenzothiadiazol, die als elektronenarme Monomere dienten. Bislang war Poly (3-hexylthiophen) das am häufigsten verwendete Polymer mit breiter Bandlücke für organische Tandemsolarzellen. Jedoch wird die Massenproduktion von Geräten auf der Grundlage dieses Polymers oft durch zeitaufwendige Herstellungsverfahren erschwert. Alle im Rahmen von ECOCHEM entwickelten Copolymere wiesen große Bandlücken auf, ähnlich wie die von Poly (3-hexylthiophen). Allerdings zeigte sich, dass die Art von elektronenarmer Einheit weitgehend Einfluss auf die optischen Eigenschaften der Indacenodithiophen- und Indacenodithienothiophen-Copolymere hatte. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung bei invertierter Solarzellenarchitektur auf Basis von Halbleiterpolymeren mit Indacenodithienothiophen und Chinoxalin stellte sich als ebenso hoch wie bei Poly (3-hexylthiophen) heraus. Solcher Copolymere mit großer Bandlücke erwiesen sich auch als ideale Kandidaten für die Verwendung in der oberen Zelle von Tandemstrukturen. Weil sie leicht an der Luft verarbeitet werden können und mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel sind, ebnen solche Copolymere mit großer Bandlücke den Weg für spannende Innovationen bei großflächigen flexiblen Solarzellen. Über Solarzellen hinaus könnten sie auch Anwendung bei Leistungselektronik für die Energieeffizienz, Biosensoren und Feststoffbeleuchtung finden.
Schlüsselbegriffe
Halbleiter, organische Photovoltaik, Solarzelle, große Bandlücke, Rolle-zu-Rolle, konjugierte Polymere
