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Organische Photovoltaik: TUM-Forscher wollen Effizienz verbessern

Röntgenblick in die Kunststoff-Solarzelle

Stephan Pröller (li.) und Dr. Eva M. Herzig vor dem Drucker, mit dem Kunststoff-Solarzellen hergestellt werden.
Stephan Pröller (li.) und Dr. Eva M. Herzig vor dem Drucker, mit dem Kunststoff-Solarzellen hergestellt werden. Die Wissenschaftler untersuchen, was bei dem Prozess auf molekularer Ebene abläuft. (Foto: Uli Benz / TUM)

Sie sind leicht, einfach zu installieren und können ohne großen Aufwand mit einem industriellen Drucker produziert werden: Solarzellen aus Kunststoff. Noch sind sie herkömmlichen Solarmodulen in der Effizienz unterlegen. Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, Vorgänge bei der Herstellung der organischen Solarzellen auf molekularer Ebene in Echtzeit zu beobachten. Die Ergebnisse, die im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht wurden, helfen dabei, die Leistung organischer Solarzellen zu verbessern.

Solarmodule, die auf den Dächern vieler Häuser zu sehen sind, bestehen größtenteils aus dem Halbleiter Silizium. Sie sind schwer, ihre Befestigung auf Dächern daher aufwändig. Auch fügen sie sich oft nicht harmonisch in die Umgebung ein.

Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen sind die sogenannten organischen Solarzellen, die aus Kunststoff bestehen. Diese können einfach als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt werden. Die Installation dieses Films an verschiedenen Orten ist unkompliziert. Außerdem ist es auch 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.

Prozesse auf Nanoebene

Eine Stellschraube, um mithilfe der flexiblen Solarzellen mehr Energie aus der Sonne zu gewinnen, ist die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials. Diese ist wichtig für die Energieumwandlung. Denn wie bei der "klassischen" Solarzelle müssen freie Elektronen erzeugt werden. Dazu benötigen Kunststoffsolarzellen zwei Materialtypen: Einen, der Elektronen abgibt (Elektronendonator), und einen, der sie wieder aufnimmt (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 nicht bekannt. 

"Um die Anordnung der Bausteine gezielt beeinflussen zu können, müssen wir verstehen, was auf molekularer Ebene passiert", erklärt Dr. Eva M. Herzig von der Munich School of Engineering (MSE). Solche kleinen Strukturen innerhalb eines trocknenden Films zeitaufgelöst zu messen ist eine experimentelle Herausforderung.

Je langsamer, desto effizienter

Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, 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. 

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Publikation:
Organic Solar Cells: Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells, Pröller et al., Advanced Energy Materials, Volume 6, Issue 1, January 2016.
DOI: 10.1002/aenm.201501580
onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201501580/full

Kontakt:
Dr. Eva M. Herzig
Technische Universität München
Munich School of Engineering
Tel: +49-(0)89-289-13831
eva.herzig@ph.tum.de
www.opv.mse.tum.de