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Solarzellen Organische Solarzellen auf dem Prüfstand

Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LABORPRAXIS-Chefredakteur Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

Welche Rückschlüsse sich aus der Live-Beobachtung verschleißender organischer Solarzellen ziehen lassen, erläutert Christoph Schaffer vom Lehrstuhl funktionelle Materialien an der TU München im LABORPRAXIS-Interview.

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(Bild: Andreas Heddergott/TU München)

LABORPRAXIS: Herr Schaffer, was sind organische Solarzellen und welche Vor- und Nachteile zeigen sie gegenüber herkömmlichen Siliziumzellen?

Christoph Schaffer: Die Bezeichnung „organisch“ kommt aus der Chemie und bedeutet zunächst nur, dass anstelle von Silizium kohlenstoffbasierte Materialien verwendet werden, um Licht in Strom zu verwandeln. Dies können zum Beispiel neuartige dünne Plastik-Mischfilme sein. Das hat weitreichende Konsequenzen, denn es gibt eine Vielzahl solcher Materialien mit sehr interessanten Eigenschaften. Im Gegensatz zu Siliziumsolarzellen können damit beispielsweise biegbare Solarzellen mittels etablierter Druckverfahren kostengünstig und großflächig auf flexiblen Folien hergestellt werden. Sogar transparente und farbige Solarzellen sind dabei möglich. Damit erschließen solche Solarzellen ganz neue Einsatzgebiete beispielsweise als architektonisches Element in Hochhausfassaden und -Fensterfronten oder aber als stromerzeugender „Autolack“ – die Fantasie hat hier freien Lauf. Mit Wirkungsgraden von mittlerweile über 12% werden organische Solarzellen ihr Pendant aus Silizium zwar nicht unbedingt ersetzen, jedoch ist dies wegen des vielseitigen Einsatzspektrums auch gar nicht beabsichtigt. Der wesentliche Nachteil ist deshalb nicht die geringere Effizienz, sondern die relativ kurze Lebensdauer organischer Photovoltaik, die momentan typischerweise bei einigen Tausend Betriebsstunden liegt. Um die zu verlängern, müssen wir aber erst einmal verstehen, wie solche organischen Solarzellen altern. Einige Aspekte wie Oxidation sind dabei zwar schon sehr gut verstanden, manche entziehen sich einem vollen Verständnis bisweilen aber auch noch sehr erfolgreich. Zum letzteren gehört auch die Frage, wie die innere Struktur und deren zeitliche Änderung der stromerzeugenden Schicht genau aussehen und wie sich diese auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten auswirken.

LABORPRAXIS: Mithilfe der Röntgenlichtquelle PETRA III konnte am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) das Verschleißen organischer Solarzellen erstmals live beobachtet werden. Wie sind Sie hierbei vorgegangen?

Schaffer: Die von uns vermessene organische Solarzelle war sehr luftempfindlich, denn für die Untersuchung wäre eine Verkapselung der Zelle hinderlich gewesen. Daher verwendeten wir eine selbstgebaute Messzelle, in der die Solarzelle unter Vakuum mit dem scharf fokussierten Röntgenstrahl von PETRA III auf ihre Struktur untersucht werden konnte, während sie gleichzeitig mit künstlichem Sonnenlicht beleuchtet und elektrisch vermessen wurde. Auf diese Weise konnten wir während des gesamten siebenstündigen Experimentes einen Datensatz über die Entwicklung der inneren Struktur der stromerzeugenden Kunststoff-Fulleren-Mischschicht und ihrer photovoltaischen Eigenschaften aufnehmen. Ähnlich wie Licht mit einer bestimmten Farbe an einer CD unter einem bestimmten, von der CD-Struktur abhängigen Winkel abgelenkt wird, wird an der aktiven Schicht das Röntgenlicht in verschiedene Richtungen gestreut, je nachdem wie die Struktur der Schicht beschaffen ist.

LABORPRAXIS: Welche Parameter haben Sie bei der Untersuchung berücksichtigt?

Schaffer: Das so gestreute Signal wurde mit einem 2D-Röntgendetektor aufgezeichnet, woraus wir die Rückschlüsse auf die vorhandenen Längenskalen zu verschiedenen Zeiten im Mischfilm ziehen konnten. Es zeigte sich, dass einerseits Domänen eines Materials des Mischfilmes wachsen, andererseits aber ihre Anzahl abnimmt, sodass deren Gesamtfläche mit der Zeit schrumpft. Da diese Bereiche höchstwahrscheinlich für die Stromerzeugung verantwortlich sind, kann die Strukturänderung genau den beobachteten Rückgang des erzeugten Stromes in der Solarzelle erklären. Es ist zwar noch nicht bekannt, auf welche Parameter diese Strukturänderungen genau zurückzuführen sind, jedoch konnten wir so erstmalig nachweisen, dass solche Änderungen in der Struktur wirklich auftreten und maßgeblich für die Degeneration einer organischen Solarzelle verantwortlich sind.

LABORPRAXIS: Welche Erkenntnisse konnten Sie durch die Beobachtungen gewinnen und wie wird sich dies auf die Produktion zukünftiger Solarzellen auswirken?

Schaffer: Durch die Live-Beobachtung konnten wir beweisen, was in der Literatur schon länger vermutet wurde, nämlich dass die Morphologie der aktiven Schicht während des Betriebs nicht als stabil angenommen werden darf und dass eine sich ändernde Morphologie tatsächlich schwerwiegende Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit hat. Um zukünftig stabilere Solarzellen bauen zu können, ist es aber nicht nur notwendig zu wissen, dass die innere Struktur des aktiven Films nicht stabil ist, sondern man muss für den jeweilgen Solarzelltypen verstehen, wie der Mechanismus genau abläuft. Mit unserem Pilotversuch konnten wir dafür ein Werkzeug präsentieren, welches nun für andere Solarzellsysteme verwendet werden kann, um mit den gewonnenen Erkenntnissen Wege zur strukturellen Stabilisierung der aktiven Schicht zu finden. Im Beispiel des bei unserem Experiment verwendeten Materialsystems könnte man etwa mit geeigneten Lösemittelzusätzen dafür sorgen, dass die Struktur bei Herstellung des aktiven Films noch suboptimal ist und sich im Laufe des Betriebs zu einem optimalen und stabilen Zustand hin entwickelt.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Schaffer.

(ID:42475016)