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New neutron techniques to probe bulk heterojunction solar cells with graded morphologies – understanding the link between processing, nanostructure and device performance

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Mehr Wissen über molekulare Selbstorganisation in organischen Solarzellen

Das EU-finanzierte Projekt NEUTRONOPV hat mit Erfolg Neutronenstreuungsverfahren zum Einsatz gebracht, um die Verbindung zwischen dem Entwurf organischer photovoltaischer Bauelemente, der Struktur im Nanometerbereich und dem Leistungsverhalten ans Licht zu bringen.

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Organische Solarzellen bieten nicht nur eine kostengünstigere Alternative zum marktbeherrschenden Silizium, sondern auch eine gesteigerte Flexibilität in der Anwendung. Aufgrund ihrer geringen Dicke könnten sie auf größeren Oberflächen Einsatz finden und im Gegensatz zu konventionellen Polymersolarzellen (PSCs), die nur für flache Oberflächen geeignet sind, in direkter Weise auf Baumaterialien verschiedener Formen aufgebracht werden. Die relativen Vorteile organischer Halbleiterbeschichtungen herauszuarbeiten, stellt jedoch eine experimentelle Herausforderung für die Forschenden dar, was teilweise auf die geringe Dicke der Schichten zurückzuführen ist, wodurch die Leistungseffekte so subtil ausfallen und so schwer zu messen sind. Das EU-finanzierte NEUTRONOPV nahm diese Herausforderung auf einer allgemeinen Ebene an, um zu einem weitreichenderen Verständnis des Zusammenhangs zwischen Verarbeitungsbedingungen, Aktivschichtmorphologie und Bauelementleistung bei fotovoltaischen Zellen zu gelangen. Man hat außerdem ganz gezielt versucht, neue und genauere Charakterisierungsverfahren zur Erforschung von fotovoltaischen Zellen zu entwickeln. Neutronen und die Nanostruktur Um systematische Erkenntnisse darüber zu erlangen, auf welche Weise subtile Veränderungen in der Zusammensetzung von Solarzellen in Änderungen im Zellwirkungsgrad resultieren, wurden im Rahmen des NEUTRONOPV-Projekts vielfältige halbleitende Polymermischungen verarbeitet. Die Forschenden nutzten im Folgenden diese abgestuften Variationen in der Zusammensetzung dazu, um eine Reihe von Bauelementen mit unterschiedlichen Morphologien zu erzeugen, die dann anhand von Kriterien wie etwa Ladungsbeweglichkeit und photovoltaisches Leistungsverhalten gemessen werden konnten. Diese sehr dünnen Schichten von weniger als einem Mikrometer Dicke wurden sowohl mittels des im Labor ausgeführten Spin-Coating-Verfahrens als auch mit Hilfe des industriell anpassbaren Sprühbeschichtungsverfahrens hergestellt. Wie Professor Richard Jones weiter erläutert, ist „der Prozess, mit dem wir diese herstellen, sehr einfach – genau wie das Lackieren einer Oberfläche – aber was während dieses Prozesses geschieht, also, was die Moleküle tun, das ist äußerst kompliziert. Sie ordnen sich zu bestimmten Strukturen im Nanobereich, und die Beschaffenheit dieser Struktur bestimmt letztlich, wie effizient die Solarzelle ist.“ Um die Selbstorganisation der Moleküle besser nachvollziehen zu können, wandte das Team Verfahren an, bei denen ein Neutronenstrahl auf die Probe gerichtet und dann gemessen wird, wie diese Neutronen durch die in der Schicht vorhandenen Nanostrukturen gestreut wurden. Dazu erläutert Professor Jones: „Gleichwohl dieser Ansatz sehr viel leistungsfähiger als andere Verfahren ist, da er uns quantitative, für die gesamte Schicht repräsentative Resultate liefert, ist er auf sehr dünnen Schichten schwer zu realisieren, da der individuell am Neutronenstrahl anliegende Effekt sehr schwach ist.“ Um diese Aufgabe zu lösen, erdachte Gabriel Bernado, Forschungsstipendiat des Projekts, eine Methode, mit der eine große Anzahl von Schichten aufgestapelt werden, um den Effekt zu vervielfachen. Die auf Neutronen beruhenden Ansätze wurden gleichermaßen um konventionellere laborgestützte Verfahren ergänzt. Die emissionsarme Wirtschaft ist das Ziel Mit einer gemischten Zusammensetzung an die Sache heranzugehen, hat mehrere Vorteile. Es bietet sich die Aussicht auf eine nachhaltigere Produktion, zum Beispiel durch den Ersatz von halogenierten Lösungsmitteln, die nachweislich sowohl die Gesundheit des Menschen als auch die Umwelt schädigen. Da außerdem organische Solarzellen kostengünstiger sein könnten, einfacher auf große Flächen aufzubringen sind und viel flexibler als die traditionellen Siliziumoptionen an unterschiedliche Oberflächen angepasst werden können, werden sie wahrscheinlich ohne Weiteres übernommen und unterstützen somit die Anstrengungen zum Aufbau einer emissionsarmen Wirtschaft. Professor Jones kommt ins Schwärmen: „Ich bin wirklich begeistert von dem Potenzial, dass sich durch Selbstorganisation, bei der sich Moleküle nach einfachen Regeln selbst anordnen und komplexe Strukturen bilden, für funktionale Bauelemente auftut, die interessante und nützliche Dinge tun – etwa Licht in Elektrizität umwandeln. Ich möchte verstehen, wie diese Prozesse funktionieren, damit wir sie zum Wohle der Gesellschaft nutzen können.“ Zu diesem Zweck arbeitet das Team nun daran, diese Verfahren und Methoden auf eine Vielzahl von verschiedenen Systemen, einschließlich Hybriden aus organischen Halbleitern und anorganischen Halbleiter-Nanopartikeln, anzuwenden.

Schlüsselbegriffe

organische Photovoltaik, Neutron, Struktur im Nanometerbereich, Solarzellen, wenig mit CO2-Ausstoß belastete Wirtschaft, emissionsarme Wirtschaft, Halbleiterbeschichtungen, Spin-Coating, Rotationsbeschichten, Sprühbeschichten, Selbstorganisation

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