Organische Halbleiternanopartikel für umweltfreundliche Solarzellen

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Wandfarben als Vorbild für die Solarzellenherstellung?

Eine Lösung für diese Herausforderung zeichnet sich jedoch ab, wenn man sich das Prinzip von Wandfarben vor Augen führt. Hier werden auf einer Wand Farbpigmente appliziert, die nicht im Transfermedium gelöst, sondern vielmehr dispergiert wurden. Doch was bedeutet dieses Prinzip nun für die Herstellung von organischen Solarzellen? Typische lichtabsorbierende Schichten in organischen Solarzellen haben eine Dicke von lediglich 100 bis 300 nm, was etwa dem Fünfzigstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Die zu dispergierenden Partikel müssen eine geringere Größe als diese Schichtdicke haben, um hinterher eine homogene Schicht aus einer Dispersion applizieren zu können.

Die Übertragung des Wandfarben-Prinzips führt hier zu einer Fällung des organischen Halbleiters in einem Dispersionsmedium. Hierfür wird der organische Halbleiter beispielsweise in Chloroform gelöst und dann nach und nach in Ethanol eingebracht. Da sich Chloroform und Ethanol miteinander mischen, die Löslichkeit des organischen Halbleiters in der Mischung der Lösemittel jedoch drastisch reduziert ist, führt dieser Prozess zu einem sofortigen Ausfall des organischen Halbleiters, im Idealfall unter Bildung von Nanopartikeln mit einer Größe von unter 100 nm. Nach der Verdampfung des Chloroforms liegt eine Halbleiternanopartikel-Dispersion in Alkohol vor, die nun zur weiteren Prozessierung zur Verfügung steht [3]. Die Verwendung von Chloroform an dieser Stelle steht nicht im Widerspruch zu einer umweltfreundlichen Solarzellenherstellung, da die Herstellung der Dispersionen industriell in einer kontrollierten Chemie-Umgebung stattfinden würde, und so das Chloroform in einem geschlossenen System rückgewonnen werden kann. Entscheidend ist, dass giftige Lösemittel nicht großflächig in einem offenen Rolle-zu-Rolle-Druckprozess verdampfen.

Neues Verfahren ermöglicht Wirkungsgrade von 4,7%

Im Versuchslabor werden organische Halbleiterschichten per Spincoating oder Rakeln hergestellt. Industriell verwendet man Verfahren wie den Inkjet-Druck oder den Schlitzguss, wobei letzteres im Wesentlichen einem dosierten Rakelverfahren entspricht [4]. In allen Fällen erhält man dünne Schichten aus Nanopartikeln, die unter dem Elektronenmikroskop oder dem Rasterkraftmikroskop als einzelne Nanopartikel erkennbar sind (s. Abb. 3). Diese „Nano-Solarzellen“ müssen nun miteinander verbunden werden, um in einer Solarzelle später die photogenerierten Ladungsträger zu den Elektroden abtransportieren zu können. Das kann beispielsweise durch eine thermische Nachbehandlung der Nanopartikelschichten erfolgen. Da organische Halbleiter weiche Materialien und somit verformbar sind, bilden sich beim Anlegen einer Temperatur von typischerweise über 100 °C homogene Schichten aus dem organischen Halbleiter aus.

Wendet man dieses Verfahren auf die „Fruchtfliege“ der organischen Photovoltaik an, ein Polymer/Fulleren-Halbleitergemisch aus Poly(3-hexylthiophen) und Inden-C₆₀-Bisaddukt, so lassen sich heute bereits Wirkungsgrade von bis zu 4,7% erreichen. Mit dem gleichen Halbleitergemisch werden auf herkömmlichem Wege, also unter Verwendung von toxischen Lösemitteln, nur geringfügig höhere Wirkungsgrade von 5,6% erzielt. Die verbleibende geringe Differenz im Wirkungsgrad der Solarzellen kann in künftigen Prozess­optimierungen noch weiter verringert werden.

Design neuer Materialsysteme als Herausforderung

Wo liegen nun also die Herausforderungen, um diese umweltfreundliche Prozesstechnologie zur Marktreife zu treiben? Der allergrößte Teil der organischen Halbleiter, die heute in Solarzellen eingesetzt werden, wurde für eine Abscheidung aus (chlorierten) aromatischen Lösemitteln optimiert. Daher erscheint es wenig überraschend, dass nur sehr wenige organische Halbleiter zur Herstellung von Nanopartikeln geeignet sind.

Die größte Herausforderung liegt im Design von neuen Materialsystemen, die auf die neue Prozesstechnologie abgestimmt sind. Auch für das Verbinden der Nanopartikel in den applizierten Schichten müssen neue technische Lösungen gefunden werden, da eine thermische Behandlung bei über 100 °C für mehrere Minuten großtechnisch auf einer Rolle-zu-Rolle-Produktionsanlage zu untragbaren Mehrkosten führen würde. Erfreulicherweise lassen sich darüber hinaus die meisten Prozesse aus der organischen Photovoltaik auch für die neuartigen nanopartikulären Solarzellen übernehmen. Eine großskalige, sehr reproduzierbare Nanopartikelsynthese kann perspektivisch beispielsweise mit Microjet-Reaktoren umgesetzt werden. Darüber hinaus wartet die Nanopartikel-Technologie noch mit einer weiteren Besonderheit auf: Da die organischen Halbleiter nach der Abscheidung im Dispersionsmedium unlöslich sind, lassen sich mehrere Schichten mit unterschiedlichen Funktionalitäten aufeinander abscheiden, ohne die darunter liegenden Schichten wieder aufzulösen oder zu beschädigen. Auch wird es in Zukunft möglich sein, diese Technologie auf andere organische Halbleiterbauelemente wie organische LEDs (OLEDs), Photodetektoren oder auch Transistoren auszuweiten.

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