Technologie

Langsame Elektronen mindern Stromausbeute

25.07.2022 - Neue Wege, um Wirkungsgrad von organischen Solarzellen zu steigern.

Solarzellen auf der Basis organischer Halbleiter können energie- und kosten­sparend gedruckt werden. Es gibt aber Begrenzungen des Wirkungsgrades, die näher beleuchtet werden müssen. Ein Forschungs­team unter der Leitung von Carsten Deibel an der Technischen Universität Chemnitz hat untersucht, welche Haupt­faktoren für die Leistungs­begrenzung organischer Solarzellen entscheidend sind. Das Team fand unter anderem heraus, dass insbesondere der Transport­widerstand die Leistung organischer Solarzellen stark begrenzt.

Die Bedeutung dieser Ergebnisse für die Entwicklung effi­zienterer Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad zeigt sich insbesondere vor dem Hintergrund der Energiewende. Da organische Halbleiter im Gegensatz zu ihren Silizium-Pendants bereits bei Raumtemperatur mittels Druck­verfahren hergestellt werden können, benötigen sie bei vergleichbaren Wirkungs­graden deutlich weniger Energie für die Produktion. Zudem nähern sich neuartige organische Solarzellen unter Laborbedingungen einem Wirkungsgrad von zwanzig Prozent. Damit werden sie zunehmend wettbewerbs­fähig. Organische Halbleiter in Solarzellen warten mit einer sehr guten Energiebilanz auf. Allerdings ist die geringe Mobilität der Ladungsträger in diesen Materialien noch eine große techno­logische Heraus­forderung. Denn davon sind Leitfähigkeit und Effizienz abhängig. Eine bekannte Heraus­forderung besteht darin, dass die langsamen Ladungsträger aus der organischen Solarzelle extrahiert werden müssen, bevor eine Rekom­bination stattfinden kann. Denn nur so kann der Solarstrom auch genutzt werden.

Eine weitere Herausforderung, die erst vor wenigen Jahren von Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftlern aus Freiburg und Potsdam für organische Solarzellen beschrieben wurde, ist der Verlust der Photo-Spannung am Punkt der maximalen Leistung. Das liegt an den sich langsam bewegenden Ladungs­trägern. Dieser Verlust wird bei einer Alterung organischer Solarzellen ausgeprägter, was einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Wie wichtig es ist, diesen Verlust­mechanismus, also der Spannungs­verlust aufgrund des Transport­widerstands, zu verstehen, wird erst durch die nun von Chemnitzer Forschern vorgelegten Ergebnisse richtig klar.

Die Solarzellen aus einem Gemisch aus Polymeren und „Nicht-Fulleren-Akzeptoren“ genannten Molekülen, wurden auf verschiedene Weisen beschleunigt gealtert. Die beteiligten Forschenden unter­suchten diese photo­voltaischen Bauteile mit sich gut ergänzenden Methoden. „Für die thermisch beschleunigte Degradation bei hohen Temperaturen konnten wir zeigen, dass die Eigenschaften des Absorber­materials und der Grenzflächen bemerkenswert stabil bleiben“, sagt Carsten Deibel. Eine Ausnahme ist die alterungs­bedingte Bildung von Defektzuständen aufgrund von Veränderungen in der Nanostruktur der photo-aktiven Schicht, die das Team beobachten konnte, so Deibel.

Die Forschungsgruppe fand heraus, dass der damit verbundene Anstieg des Transportwiderstandes der Hauptgrund für den Rückgang des Füllfaktors aufgrund der thermisch beschleunigten Degradation ist. Der Füllfaktor ist einer von drei Faktoren zur Bestimmung der Leistungs­fähigkeit einer Solarzelle. Der durch Alterung geringere Füllfaktor mindert also den Wirkungsgrad bei der Energie­umwandlung. „Wir brauchten umfangreiche, ergänzende Methoden, um zwischen Veränderungen in der Absorber­schicht und der Grenzfläche zu den Elektroden, zwischen Rekombination und Transport­widerstand zu unterscheiden. Daher war die multi­disziplinäre Expertise aller Teams von unschätzbarem Wert“, sagt Christopher Wöpke.

„Eines der wichtigsten Ergebnisse unserer Studie ist, dass der Transport­widerstand ein dominanter leistungs­begrenzender Mechanismus in modernen organischen Solarzellen ist, den es zu beheben gilt“, ergänzt Deibel. „Selbst frisch prozessierte Photo­voltaik-Bauelemente zeigen diesen Verlust, der bereits durch eine leichte Unterdrückung der Fallenbildung überwunden werden könnte.“ In zukünftigen Studien sollen Wege zur Verringerung der Fallen­bildung und zur Erhöhung der Leitfähigkeit in organischen Solarzellen erforscht werden.

TU Chemnitz / JOL

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