Röntgenblick in die Kunststoff-Solarzelle

  • 08. January 2016

Beobachtung von Vorgängen auf molekularer Ebene könnte Effizienz verbessern.

Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen sind aus Kunst­stoff bestehende organische Solar­zellen. Diese lassen sich als dünner Film mit einem industri­ellen Drucker herstellen. Die Installation eines solchen Films an verschiedenen Orten ist unkom­pliziert. Außerdem ist es möglich, die Farbe und Form der Solar­zellen zu verändern. Aller­dings gibt es einen Nach­teil: Noch reicht die Effizienz der orga­nischen Photo­voltaik nicht an die Silizium-Solar­zellen heran.

Drucker für Kunststoff-Solarzellen

Abb.: Ein Drucker, mit dem Solarzellen aus Kunststoff hergestellt werden können. (Bild U. Benz, TU München)

Eine Stellschraube, um mithilfe der flexiblen Solar­zellen mehr Energie zu gewinnen, ist die Anordnung der mole­kularen Bau­steine des Materials. Denn wie bei der klassischen Solar­zelle müssen freie Elektronen erzeugt werden. Dazu benötigen Kunst­stoff-Solar­zellen zwei Material­typen: Einen, der Elektronen abgibt, den Elektronen­donator, und einen, der sie wieder aufnimmt, den Elektronen­akzeptor. Diese Materialien müssen eine möglichst große Grenz­fläche zuein­ander auf­weisen, um Licht in Strom umzu­wandeln. Wie genau sich die Moleküle beim Drucken der Solar­zellen zuein­ander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungs­vorgangs wachsen, ist bislang nicht bekannt.

„Um die Anordnung der Bausteine gezielt beein­flussen zu können, müssen wir verstehen, was auf mole­kularer Ebene passiert“, erklärt Eva Herzig von der Munich School of Engineering. Solche kleinen Strukturen inner­halb eines trocknenden Films zeit­auf­gelöst zu messen ist eine experi­mentelle Heraus­forderung. Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammen­arbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory Röntgen­strahlung, um die Mole­küle und deren Prozesse während des Druckens eines Kunst­stoff-Films sichtbar zu machen. Dabei identi­fizierte er verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen.

Anfangs verdampft das Lösungsmittel, wodurch sich die Konzen­tration der Kunst­stoff­moleküle im noch feuchten Film stetig erhöht. Ab einer gewissen Konzen­tration beginnt das Material, das als Elektronen­donator fungiert, zu kristalli­sieren. Die Moleküle des Elektronen­akzeptors bilden Aggregate. Die Elektronen­donator-Kristalle vergrößern sich schnell, was dazu führt, dass sich auch die Elektronen­akzeptor-Aggregate weiter zusammen­schieben. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenz­flächen zwischen den beiden Materialien fest. Diese sind entscheidend für die Effizienz. Um die Solar­zellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozess­schritt ange­setzt werden. In der letzten Phase finden noch Optimierungs­prozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungs­dichte in den Kristallen.

„Die Geschwindigkeit der Herstellung spielt eine wichtige Rolle“, erklärt Pröller. Bei schnelleren Trocknungs­vorgängen bleibt der Ablauf zwar gleich. Aller­dings beein­flussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Struktur­bildung. Eine langsamere Struktur­bildung wirkt sich positiv auf die Effizienz der Solar­zellen aus. Die Forscher wollen nun die gewonnenen Kenntnisse der Abläufe nutzen, um gezielt mit weiteren Para­metern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Diese Ergebnisse können dann in die industrielle Herstellung über­tragen und diese damit optimiert werden.

TUM / RK

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