Graphene ermöglichen die Entwicklung von polymeren Solarzellen
Die ersten und zweiten Generationen von Solarzellen basieren im Wesentlichen auf Silizium. Organische (Polymer-) Solarzellen versprechen wichtige Vorteile. Dazu gehören Flexibilität und Kostensenkungen für großflächige Oberflächen dank gut etablierter Polymerverarbeitungswege. Graphene Elektroden mit ihrer hervorragenden Leitfähigkeit wurden vor kurzem als vielversprechende Kandidaten für effizient Solarzellen mit Bulk-Heteroübergängen (BHJ) identifiziert, die bereits vor mehr als 25 Jahren vorgeschlagen wurden. Jedoch waren die Mechanismen und Wirkungen der Integration mit einem Polymerdünnfilm noch nicht erforscht. Das EU-geförderte Projekt GO-NEXTS (Graphene doping and texturing in efficient electrodes for organic solar cells) strukturierte Graphen-Kontaktelektroden, um sie als photonische Kristalle zu nutzen. Photonische Kristalle sind periodische dielektrische Strukturen mit einer Bandlücke zur Verhinderung der Ausbreitung bestimmter Wellenlängen des Lichts. Die Kristalle können auf die Energiebandlücke zwischen Valenz- und Leitungselektronen von Halbleitern angeglichen werden. Dies ermöglicht eine hervorragende Steuerung der elektromagnetischen Strahlung, die mit konventioneller Optik nicht möglich ist. Dies wird beispiellose Verbesserungen bei Effizienz und Leistung von BHJ-Solarzellen erleichtern. Die Forscher begannen, indem sie sich auf die Simulation und Fertigung einzelner Komponenten konzentrierten. Insbesondere untersuchten die Wissenschaftler die Rolle von Graphen-Metall-Kontakten und modellierten die elektronischen Eigenschaften von Graphen und die optischen Eigenschaften von abgeriebenen Kontakten. Zusammen mit Bewertungen der Auswirkungen verschiedener Designparameter wie Schichtdicke wiesen die Ergebnisse den Weg zu vielversprechenden Herstellungsaktivitäten. Die Projektpartner untersuchten Verfahren der chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD) für Graphen auf verschiedenen Substraten und das Graphenwachstum auf texturierten photonischen Kristallsubstraten. Niedertemperatur-CVD war nicht in der Lage, Graphen mir ausreichend hoher Qualität für Photovoltaik-Anwendungen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu befindet sich der Graphenwachstumsprozess bereits beinahe auf dem Stand der Technik. GO-NEXTS wird transparente Elektrodenmaterialien, Herstellungsverfahren und Gerätearchitekturen liefern. Einige der wahrscheinlichsten Anwendungen, die in den nächsten Jahren entstehen sollen, sind solche, die transparente, flexible Graphitelektroden verwenden. Dazu gehören beispielsweise Solarzellen, Leuchtdioden (LEDs), organische Leuchtdioden (OLEDs), Berührungsbildschirme und Flüssigkristallanzeige (LCD), die derzeit mit gesputtertem Indium-Zinn-Oxid (ITO) hergestellt werden. Europa ist führend in der Graphenforschung und die durch GO-NEXTS erzielten Ergebnisse werden es ermöglichen, weitere Fortschritte in diesem Bereich zu liefern. Die Ergebnisse des Projekts werden somit dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den Vereinigten Staaten und Asien auf dem Graphen-basierten Technologiemarkt sicherzustellen. Ihre Anwendung in Verbraucherprodukten könnte unseren Alltag verändern und dadurch tiefgreifende Auswirkungen auf die zukünftige Graphenforschung und die Marktfähigkeit haben.
Schlüsselbegriffe
Polymere Solarzellen, Graphen, Bulk-Heteroübergang, GO-NEXTS, photonische Kristalle, chemische Dampfabscheidung, Indium-Zinn-Oxid
