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Forscher steigern Wirkungsgrad organischer Solarzellen deutlich

© Fotolia© FotoliaFrankfurt - Die organische Photovoltaik befindet sich noch im Entwicklungsstadium, auch wenn mittlerweile bemerkenswerte Wirkungsgrade erzielt werden. Forscher aus China und den USA zeigen einen Weg auf, wie der Wirkungsgrad von Standard-Solarzellen deutlich erhöht werden kann.

Die organische Photovoltaik (OPV) verwendet organische Moleküle, um aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen. Gegenüber den gängigen Silizium-Solarzellen haben solche organischen Zellen zwar viele Vorteile, die Kosten sind aber noch vergleichsweise hoch.

Viele Vorteile organischer Solarzellen - Kosten noch hoch
Die Vorteile organischer Solarzellen liegen auf der Hand: die Module sind leicht, sogar biegsam, und können prinzipiell aus billigen Ausgangsstoffen variantenreich hergestellt werden. Um dann jedoch an die Langlebigkeit und die Qualität der Silizium-Zellen heranzukommen, müssen noch bessere Materialkombinationen für die aktive Schicht und die Elektroden gefunden werden. Das ist die eigentliche Herausfordlerung, denn bislang sind solche leistungsstarken Architekturen noch sehr aufwändig und teuer.

Zwischenschicht erhöht Leitfähigkeit und reduziert Leistungsverluste
Luftstabile Kathoden, die sich sehr einfach auftragen lassen, bestehen aus Silber oder Gold. Diese Metalle haben aber eine hohe Austrittsarbeit, die sich auf das Zellpotential und somit die Leistung auswirkt. Yao Lui von der Beijing University of Chemical Technology (China) sowie Thomas Russell und Todd Emrick von der University of Massachusetts in Amherst (USA) und ihre Teams haben jetzt eine Zwischenschicht aus einem neuartigen Polymer entwickelt, das leitfähig ist und durch den Dipolcharakter die Austrittsarbeit reduziert. Damit kann die Stabilität und der Wirkungsgrad von organischen Standard-Solarzellen erhöht werden.

Lösung: Neuartiges Polymerdesign und Einbau von Fulleren
Als Material für die Zwischenschicht untersuchten die Forscher ein neuartiges Polymerdesign von ionischen Polymeren: „Diese ionischen Polymere sind Polykationen, bei denen sich die geladenen Einheiten innerhalb des Polymerrückgrats befinden, also nicht Seitengruppen sind”, erläutern die Autoren. Bei diesem Design verteilt sich die Ladung über die Polymerlänge noch besser als in normalen kationischen Polymeren, und durch das Polymerdesign lässt sich die Ladung und damit der Dipolcharakter gezielt anpassen. Allerdings ist das Polymer allein nicht besonders leitfähig, eine Grundvorraussetzung für eine Zwischenschicht in elektronischen Bauelementen. Um die Leitfähigkeit wiederum signifikant zu erhöhen, wurde Fulleren in die Polymerstruktur eingebaut. Fullerene, die berühmten „Fußballmoleküle”, bestehen aus einem Kugelgerüst allein aus Kohlenstoffatomen.

Wirkungsgrad organischer Photozelle steigt auf über 10 Prozent
Das Fulleren-Ionenpolymer entwickelten die Wissenschaftler durch ein Stufenwachstumsverfahren unter Verwendung von neuartigen funktionalen Monomeren. Dann bauten sie es als Zwischenschicht in eine organische Photozelle ein, deren Wirkungsgrad sich um beeindruckende 300 Prozent steigerte und zweistellige Werte von über 10 Prozent erreichte. Ein solcher Wirkungsgrad liegt im üblichen Anwendungsbereich von Photozellen. Eine relativ einfache Materialinnovation kann also den Wirkungsgrad verbessern. Die Autoren betonen, dass hier insbesondere die Unverträglichkeit zwischen (harter) Elektrode und (weicher) aktiven Schicht überbrückt wurde.

© IWR, 2019


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