Höherer Wirkungsgrad von Solarzellen mithilfe dreidimensionaler Bildgebung
Deutsche und niederländische Forscher haben zum ersten Mal dreidimensionale Abbildungen von Nanostrukturen innerhalb einer polymeren Solarzelle erzeugt. Die in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse liefern neue Einsichten in die Struktur von Solarzellen und könnten zur Verbesserung ihrer Leistungsfähigkeit führen. Polymere Solarzellen sind Kunststoff-Solarzellen mit einzigartigen Eigenschaften, die das Potenzial haben, traditionelle Silizium-Solarzellen bei geringeren Kosten an Leistung zu übertreffen. Bis jetzt sind polymere Solarzellen allerdings beim Einfangen von Licht und dessen Umwandlung in Energie noch nicht sehr effizient. Wie bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und Computerchips wurde bisher auch für Solarzellen raffiniertes, hochreines Siliziumkristall verwendet. Doch die hohen Kosten dieser Siliziumsolarzellen und der komplizierte Produktionsprozess treiben die Entwicklung alternativer Photovoltaik-Technologien an. Polymere Solarzellen, die sogenannte "dritte Solarzellengeneration", sind leicht, kostengünstig, flexibel und können auf molekularer Ebene modifiziert werden. Bisher allerdings war die Visualisierung von Polymeren im Nanometer-Bereich recht problematisch. Forscher am Institut für Stochastik der Universität Ulm, Deutschland, haben nun mittels dreidimensionaler Elektronentomographie (3D-ET) sehr detaillierte Bilder der Nanostrukturen in polymeren Solarzellen hergestellt. 3D-ET ist ein beliebtes Werkzeug für die Messung der Strukturen zellulärer Komponenten mit Nanometerauflösung. Die Forscher konnten mit einem Transmissionselektronenmikroskop Möglichkeiten der Verbesserung des Energieumwandlungs-Wirkungsgrads der polymeren Solarzellen visualisieren, indem die bei ihrer Herstellung verwendeten Verbindungen verändert wurden. Hybrid-Solarzellen werden durch Mischen zweier verschiedener Materialien - eines Polymers und eines Metalloxids - hergestellt. Wenn die Sonne auf die daraus resultierende Solarzelle scheint, werden die Ladungen dort erzeugt, wo sich die Materialien mischen. Genau dieser Vermischungsgrad zwischen Polymer und Metalloxid bestimmt den Wirkungsgrad der Solarzelle. Eine sehr starke Vermischung erzeugt eine sehr dichte Zellstruktur, die den Ladungsabtransport behindert und dann einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge hat. Die Forscher hoffen nun auf eine besser vermischte, in lockererer Struktur angeordnete Zelle, bei der weniger Hindernisse für einen guten Energietransport an den Sammelpunkt sorgen. Dann hätte die Solarzelle einen größeren Energieerzeugungs-Wirkungsgrad. Die niederländischen Forscher konnten diese Struktur mit weiteren Abständen erzeugen, indem sie in einer ersten Stufe eine Substanz verwendeten, die sich gut mit dem Polymer mischt. Diese liefert dann zu einem späteren Zeitpunkt das Metalloxid. Der Einsatz der dreidimensionalen Visualisierung zeigte die Wichtigkeit des Vermischungsgrades und der Solarzellenmorphologie. Mithilfe dieser dreidimensionalen Bilder konnten die Forscher eine konsistente und quantitative Korrelation zwischen der Solarzellenleistung und der zugrunde liegenden Struktur der Solarzellen mit verschiedenen Zellstrukturen messen. Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass die im Laufe des Experiments hergestellten polymeren Solarzellen zu den leistungsstärksten Zellen der dritten Generation gehören. Dennoch haben sie nur einen Wirkungsgrad von zwei Prozent - und halten somit einem Vergleich mit dem bei Zellen der ersten Generation üblichen Wert von 30% nicht stand. Weitere Untersuchungen von Polymeren, Metalloxiden und ihrer Morphologie in polymeren Solarzellen sind nötig, um das in dieser Technologie verborgene Versprechen einzulösen. Mit dem Einsatz dreidimensionaler Abbildungen von Nanostrukturen können in diesem Bereich der Forschung mit Sicherheit schnellere Fortschritte erzielt werden.
Länder
Deutschland, Niederlande