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Designregeln für lichtabsorbierende Farbstoffe Den Weg zu „unsichtbaren“ organischen Solarzellen bereiten

Autor / Redakteur: Dr. Christian Schneider* / Christian Lüttmann

Transparente Platten statt dunkelblauer Solarmodule auf dem Dach – dank organischen Solarzellen könnte die Stromgewinnung aus Sonnenenergie in Zukunft mit durchsichtigen Zellen gelingen. Um die Grundlage dafür zu schaffen, hat ein internationales Forscherteam nun die Regeln untersucht, nach denen sich organische Solarzellen weiterentwickeln und mit neuen Eigenschaften herstellen lassen.

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Ein internationales Forscherteam untersuchte Farbstoffe, aus denen moderne organische Solarzellen aufgebaut sind. Diese können hinsichtlich ihrer Effizienz mit den bisher verwendeten Akzeptor-Molekülen – so genannten Fullerenen – gleichziehen bzw. sie übertreffen (Symbolbild).
Ein internationales Forscherteam untersuchte Farbstoffe, aus denen moderne organische Solarzellen aufgebaut sind. Diese können hinsichtlich ihrer Effizienz mit den bisher verwendeten Akzeptor-Molekülen – so genannten Fullerenen – gleichziehen bzw. sie übertreffen (Symbolbild).
(Bild: MPI-P)

Potsdam – Die meisten Solarzellen, die man z.B. auf Hausdächern sieht, bestehen aus zwei Siliziumschichten, die verschiedene Atome wie Bor oder Phosphor enthalten. Werden diese Schichten kombiniert, lenken sie die durch das absorbierte Sonnenlicht erzeugten Ladungen zu den Elektroden. Dieser (Foto-)Strom kann dann zum Antrieb elektronischer Geräte verwendet werden.

Anders ist die Situation bei organischen Solarzellen: Hier werden zwei organische Materialien miteinander vermischt, anstatt sie in einer Schichtstruktur anzuordnen. Es handelt sich um Mischungen verschiedener Arten von Molekülen. Eine Molekülart, der Akzeptor, nimmt gerne Elektronen von der anderen Art, dem Donor, auf. Um zu quantifizieren, wie wahrscheinlich ein Elektronentransfer zwischen diesen Materialien stattfindet, misst man die so genannte Elektronenaffinität und Ionisierungsenergie jedes Materials. Diese Größen geben an, wie einfach es ist, einem Molekül ein Elektron hinzuzufügen oder ein Elektron zu entfernen. Neben der Bestimmung des Wirkungsgrades organischer Solarzellen steuern die Elektronenaffinität und die Ionisierungsenergie auch andere Materialeigenschaften, wie Farbe und Transparenz.

Durch die Paarung von Donor- und Akzeptormaterialien entsteht eine Solarzelle. In einer organischen Solarzelle übertragen Lichtteilchen ihre Energie auf Elektronen. Angeregte Elektronen hinterlassen positive Ladungen, so genannte Löcher. Diese Elektron-Loch-Paare werden dann aufgrund der Unterschiede in der Elektronenaffinität und der Ionisationsenergie der beiden Materialien an deren Grenzfläche getrennt.

Organische Solarzellen gezielt optimieren

Bisher gingen die Wissenschaftler davon aus, dass sowohl die Elektronenaffinität als auch die Ionisierungsenergie für die Funktionalität der Solarzelle gleich wichtig sind. Forscher der saudi-arabischen König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben nun entdeckt, dass bei vielen Donor-Akzeptor-Mischungen jedoch vor allem die Differenz der Ionisationsenergie zwischen den beiden Materialien die Effizienz der Solarzelle bestimmt.

Aus den Ergebnissen aus optischen Spektroskopie-Experimenten sowie von Computersimulationen leiteten die Forscher präzise Designregeln für molekulare Farbstoffe ab. Diese Regeln sollen helfen, die Effizienz der Solarzelle zu maximieren. „In Zukunft wäre es zum Beispiel denkbar, transparente Solarzellen herzustellen, die nur Licht außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs absorbieren – dann aber mit maximaler Effizienz in diesem Bereich“, sagt Denis Andrienko, Mitautor der neuen Studie. „Mit solchen Solarzellen könnten ganze Häuserfronten als aktive Fläche genutzt werden“, fügt der KAUST-Forscher Frédéric Laquai hinzu.

Die Autoren gehen davon aus, dass sie mit diesen Studien einen Wirkungsgrad der Solarzellen von 20% erreichen können – ein Ziel, das die Industrie für eine kostengünstige Anwendung der organischen Photovoltaik im Auge hat.

Originalpublikation: Safakath Karuthedath, Julien Gorenflot, Yuliar Firdaus, Neha Chaturvedi, Catherine S. P. De Castro, George T. Harrison, Jafar I. Khan, Anastasia Markina, Ahmed H. Balawi, Top Archie Dela Peña, Wenlan Liu, Ru-Ze Liang, Anirudh Sharma, Sri H. K. Paleti, Weimin Zhang, Yuanbao Lin, Erkki Alarousu, Dalaver H. Anjum, Pierre M. Beaujuge, Stefaan De Wolf, Iain McCulloch, Thomas D. Anthopoulos, Derya Baran, Denis Andrienko & Frédéric Laquai: Intrinsic efficiency limits in low-bandgap non-fullerene acceptor organic solar cells, Nature Materials (2020); DOI: 10.1038/s41563-020-00835-x

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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