Solarzellen

Organische Halbleiternanopartikel für umweltfreundliche Solarzellen

20.02.16 | Autor / Redakteur: Stefan Gärtner*, Bernd Baumstümmler**, Alexander Colsmann* / Ilka Ottleben

Abb. 1: Die mechanische Flexibilität organischer Solarzellen und die freie Wahl der Farbe eröffnen viele neue Anwendungen. Die Energierücklaufzeit von nur wenigen Monaten ist konkurrenzlos.
Abb. 1: Die mechanische Flexibilität organischer Solarzellen und die freie Wahl der Farbe eröffnen viele neue Anwendungen. Die Energierücklaufzeit von nur wenigen Monaten ist konkurrenzlos. (Bild: Felix Nickel / KIT)

Eine neue Technologie erlaubt die Herstellung von organischen Solarzellen aus ungiftigen Lösemitteln. Nanopartikeldispersionen könnten dabei der Schlüssel zu einer kostengünstigeren und nachhaltigen Solarzellenproduktion in großflächigen Druckprozessen sein.

Organische Solarzellen sind mechanisch flexibel [1], können in beliebigen Farben hergestellt werden und bieten aufgrund eines variablen Designs viele neue Anwendungsmöglichkeiten in der Architektur und für die mobile Elektronik (s. Abb. 1). Die Vision der Wissenschaftler ist die Herstellung von organischen Solarzellen in großflächigen Druck- oder Beschichtungsprozessen auf Rolle-zu-Rolle-Produktionslinien.

In ihrer Funktionsweise unterscheiden sich organische Solarzellen wesentlich von ihren anorganischen Pendants. Während die allgegenwärtigen Siliziumsolarzellen auf einem pn-Übergang beruhen, werden in organischen Solarzellen lichtabsorbierende Halbleiter, z.B. Polymere, mit starken Elektronen-Akzeptoren, meistens Fullerenen, gemischt (s. Abb. 2). Elektrostatisch gebundene Elektron-Loch-Paare, die bei der Absorption von Licht auf dem Polymer entstehen, werden getrennt, wenn das Elektron auf den Akzeptor übergeht. Beide Ladungsträger werden dann entlang der jeweiligen Materialdomänen zu den entsprechenden Elektroden abgeführt.

Um organische Halbleiter oder Halbleitergemische verdrucken oder beschichten zu können, werden diese in Forschungslaboren üblicherweise in chlorierten aromatischen Lösemitteln, wie Chlorbenzol, gelöst. Zwar lassen sich auf diesem Wege sehr einfach homogene lichtabsorbierende Schichten auftragen, jedoch lässt sich das Verfahren nicht problemlos auf eine großflächige, industrielle Solarzellenfertigung übertragen. Die meisten chlorierten aromatischen Lösemittel sind toxisch oder karzinogen und müssen deshalb in einem geschlossenen System verwendet werden. Sie dürfen nicht in die Umwelt gelangen oder, z.B. im Fall eines technischen Defektes oder einer Systemwartung, mit Menschen in Berührung kommen. Die zusätzlich zu installierenden Sicherheitsvorkehrungen zur Vermeidung der Kontamination von Mensch und Umwelt stehen in klarem Widerspruch zum hohen Preisdruck, der auf dem Solarsektor lastet.

Unbedenkliche Lösemittel sind gefragt

Nachdem die Wirkungsgrade organischer Solarzellen in den letzten Jahren die wichtige Marke von 10% übersprungen haben, sodass sie für erste Anwendungen im Consumer-Markt interessant werden, konzentrieren sich Wissenschaft und Industrie nunmehr auch auf geeignete Herstellungsprozesse, und somit unter anderem auf die Vermeidung von toxischen Lösemitteln. Viele Forscher haben hierzu die Verwendung von weniger giftigen nicht-chlorierten aromatischen Lösemitteln wie Xylol oder Anisol untersucht. Und auch für die oftmals verwendeten halogenierten Prozessadditive haben sich weit weniger umweltgefährdende Ersatzstoffe wie Anisaldehyd gefunden [2]. Das ultimative Ziel ist jedoch die Verwendung von unbedenklichen Lösemitteln wie Wasser oder einigen Alkoholen, die im Ernstfall nicht zu einer sofortigen Vergiftung von Mensch oder Umwelt führen. Leider lösen sich die organischen Halbleiter, die zur Lichtabsorption in Solarzellen eingesetzt werden können, im Allgemeinen nicht in Wasser oder Alkoholen, sodass dieser Weg zunächst verschlossen bleibt.

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