Ein Blick ins Innere könnte organische Solarzellen effizienter machen

Organische Solarzellen haben das Potenzial, sich zu einer erneuerbaren Energiequelle zu entwickeln, die nicht nur kostengünstig ist, sondern auch schnell eingeführt und erweitert werden kann. Physiker an der Universität Oxford haben einige der wissenschaftlichen Grundlagen über den Aufbau und die Leistung dieser Zellen erforscht.

Grundlagenforschung

Sonnenenergie macht derzeit weniger als 2 % des weltweit erzeugten Stroms aus, könnte aber einen großen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten. Um den Maßstab dahingehend zu erweitern, sind große Flächen erforderlich. „Wir brauchen mehrere Tausend Quadratkilometer Fläche, um die Energieversorgung der Welt zu entlasten, weshalb es von wesentlicher Bedeutung ist, den Maßstab schnell und kostengünstig zu vergrößern“, so Professor Moritz Riede, Hauptforscher von OSC Go und außerordentlicher Professor für weiche funktionale Nanomaterialien an der Universität Oxford. „Man müsste dazu in der Lage sein, ganze Quadratkilometer Fläche kostengünstig und schnell mit Solarzellen zu bedecken.“ Die meisten kommerziell verfügbaren Solarsysteme basieren auf anorganischen Silizium-Halbleitern. Die organische, kohlenstoffbasierte Photovoltaik könnte viele Vorteile bieten, da sie auf leichte und flexible Solarzellen setzt, die in verschiedenen Farben ausgeführt und dank Niedrigtemperatur-Verfahren kostengünstig hergestellt werden können. Leider sind sie nach aktuellem Stand aber auch deutlich weniger effizient bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität als herkömmliche siliziumbasierte Systeme. Das OSC Go-Team hat in den vergangenen vier Jahren einige grundlegende Fragen zur Herstellung von organischen Solarzellen (OSZ) im Hinblick auf die Verbesserung ihrer Leistung untersucht. Beobachtung des Abscheidungsprozesses Struktur-Eigenschafts-Beziehungen gehörten zu den Hauptschwerpunkten ihrer Forschung, da die Anordnung der Moleküle in einer organischen Solarzelle einen großen Einfluss auf ihre Leistungsfähigkeit haben kann. Das Team entwickelte Möglichkeiten zur Nutzung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen – von Ultraviolett bis zum nahen Infrarot – um zu erforschen, wie sich die Moleküle in dünnen Schichten anordnen. „Dies wird normalerweise erst untersucht, nachdem sich die Moleküle gebildet haben, d. h. wenn der Prozess bereits beendet ist. Uns gelang es jedoch, die Moleküle noch während des Abscheidungsprozesses zu beobachten“, erklärt Prof. Riede. „Auf diese Weise können wir sehen, wie sie sich zusammensetzen und was wir tun können, um ihre Anordnung zu beeinflussen.“ Die Verwendung von Fulleren C60, einem Material, das häufig zur Herstellung von organischen Solarzellen verwendet wird, ermöglichte es dem Team zu erkennen, wie sich Defekte in diesen dünnen Schichten bilden und sogar das Ergebnis beeinflussen können. „Wir haben C-Stapelfehler in einer bestimmten molekularen Richtung entdeckt“, so Prof. Riede weiter, „die uns einen wichtigen Datenpunkt auf struktureller Ebene für die Interpretation der Leistungsfähigkeit solcher Vorrichtungen geliefert hat.“ Große Vorbilder In einer organischen Solarzelle wird Sonnenlicht in den photoaktiven Schichten absorbiert, die normalerweise aus einer Mischung von zwei Materialien, Elektronenspender und Akzeptormolekülen, bestehen, und anschließend in Elektrizität umgewandelt. Die Forscher von OSC Go verbrachten einige Zeit damit, die Leistung von verdünnten Heterojunction-Solarzellen mit einem Spendergehalt von 5 % oder weniger zu bewerten. „Diese Vorrichtungen funktionierten überraschend gut“, merkt Prof. Riede an. „Deshalb haben wir anhand von reinen C60-Zellen untersucht, wie sich die Moleküle zusammensetzen und in Gegenwart anderer Moleküle verhalten. Diese Vorrichtungen sind ausgezeichnete Modellsysteme, mit deren Hilfe wir versucht haben, die mikrostrukturellen Ergebnisse um photophysikalische zu ergänzen.“ Die Auswirkungen von Veränderungen in der Mikrostruktur auf die Leistung der Vorrichtungen stellte einen dritten Untersuchungsgegenstand dar. In Zusammenarbeit mit dem Chemiekonzern Merck prüfte das Team, was passiert, wenn die OSZ-Schicht über längere Zeiträume hinweg hohen Temperaturen oder Sonnenlicht ausgesetzt wird, was während des Betriebs der Fall ist. „Wir haben die Veränderungen in der Mikrostruktur mit Röntgenstrahlen und anderen Methoden gemessen und konnten sie erfolgreich mit Veränderungen in der Leistung von OSZ in Verbindung bringen“, sagt Prof. Riede. „Dadurch können wir nach Möglichkeiten suchen, um dies zu verhindern.“ Ein besseres Verständnis der Vorgänge auf der Nanoskala wird sich bei der Entscheidung, welche Materialien für die Herstellung effizienter organischer Solarzellen verwendet werden sollen, als äußerst nützlich erweisen, glaubt Prof. Riede. „Es gibt eine Fülle von Materialien, die in Betracht kommen. Darüber hinaus kann man sie anpassen und ihre Leistung durch geschickte chemische Zusammensetzungen und gute Herstellungsbedingungen verbessern“, erklärt er. „Um dies zu realisieren, muss man jedoch auch dazu in der Lage sein, die Grundlagen zu verstehen.“

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