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Organische Solarzellen Neue Materialien für preiswerten Sonnenstrom

| Redakteur: Doris Popp

Zusammen mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern haben Jülicher Photovoltaik-Forscher neuartige organische Solarzellen mit gesteigerter Energieausbeute entwickelt. Diese nutzen Materialien aus speziellen Molekülen, die eine Reihe von Vorteilen bieten: Sie absorbieren Licht besser, sind stabiler und kostengünstiger herzustellen als die bisher verwendeten Werkstoffe.

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Vergleich des Aufbaus von Polymer: Fulleren und Fulleren-freien organischen Solarzellen, sowie die dazugehörigen Strom-Spannungs-Kennlinien. Die neuen Akzptormoleküle (rechts) erlauben deutlich höhere Leerlaufspannungen als die traditionellen Fulleren-basierten Solarzellen.
Vergleich des Aufbaus von Polymer: Fulleren und Fulleren-freien organischen Solarzellen, sowie die dazugehörigen Strom-Spannungs-Kennlinien. Die neuen Akzptormoleküle (rechts) erlauben deutlich höhere Leerlaufspannungen als die traditionellen Fulleren-basierten Solarzellen.
(Bild: Forschungszentrum Jülich )

Jülich – Organische Solarzellen basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie herkömmliche Siliziumsolarzellen: Photonen, also Lichtteilchen, werden in geeigneten Materialien absorbiert. Es entstehen Ladungsträger, die zu den Elektroden der Solarzelle transportiert werden und so eine elektrische Spannung erzeugen. Allerdings nutzen organische Solarzellen keine herkömmlichen Halbleiterkristalle, sondern spezielle Kohlenwasserstoffverbindungen, also Kunststoffe. Von der Leistung her sind diese Plastiksolarzellen ihrem Vorgänger aus Silizium noch unterlegen, doch sie haben stattdessen eine Reihe von Vorteilen. Da sowohl Materialien als auch Herstellungsverfahren sehr preisgünstig sind, lassen sich mit ihnen die Kosten für eine umweltfreundliche und nachhaltige Energieerzeugung stark reduzieren. Die hauchdünnen Plastikschichten, die Elektronen freisetzen und aufnehmen, können flexibel sein und eröffnen eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten und Anwendungen: etwa transparente Solarmodule in Fensterflächen oder in Kleidung integrierte Stromerzeuger, wie Ladegeräte für Handys.

Die in organischen Solarmodulen verwendeten leitfähigen Moleküle können Photonen sehr gut aufnehmen – deshalb genügen schon Schichtdicken von etwa 100 Nanometern. Um jedoch einen Stromfluss zu gewährleisten, müssen die durch das Licht freigesetzten Elektronen auch aus dem Material extrahiert werden. Dazu wird es angereichert mit so genannten Fullerenen: hohle, in sich geschlossene Moleküle aus 60 oder 70 Kohlenstoffatomen in der Form eines mikroskopischen Fußballs, die als so genannte Elektronenakzeptoren fungieren. Allerdings sind diese Kohlenstofffußbälle nur schlecht in der Lage, sichtbares Licht aufzunehmen – offensichtlich ein entscheidender Nachteil für Solarzellen. Auch sind die Fulleren-haltigen Materialien vergleichsweise energieintensiv in der Herstellung und nicht sehr stabil. Deshalb suchen Forscher nach Alternativen: Moleküle mit der elektrischen Leitfähigkeit von Fullerenen, doch ohne deren Schwachpunkte.

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