Forscher der TU Chemnitz identifizieren Gründe für langsamen Stromfluss in organischen Solarzellen

Organische Solarzellen lassen sich einfach und günstig mit Druckverfahren herstellen. Verglichen mit herkömmlichen Zellen aus kristallinem Silizium erfolgt der Transport der durch Licht erzeugten Ladungsträger in den organischen Solarzellen aber sehr langsam. Grund dafür ist, dass die organischen, lichtabsorbierenden Schichten wegen des Auftrags mit einer Art Tinte sehr ungeordnet sind. Der Transportwiderstand verringert den Füllfaktor der Solarzellen – und damit auch deren Leistung.

Um organische Solarzellen optimieren zu können, hat nun ein Forscherteam unter Leitung der Technischen Universität Chemnitz nun vertieft untersucht, warum langsame Ladungsträger die Effizienz von organischen Solarzellen mindern.

„In den letzten Jahren ist der Ladungstransport immer weiter verbessert worden, ohne dass in der Forschergemeinde der genaue Zusammenhang zwischen Füllfaktorverlusten und Transportwiderstand genauer bekannt war“, sagt Professor Carsten Deibel, Leiter des Lehrstuhls Optik und Photonik kondensierter Materie an der TU Chemnitz.

Tieferes Verständnis der physikalischen Grundlagen

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes haben Deibel und seine Wissenschaftliche Mitarbeiterin Maria Saladina verschiedene Arten von organischen Solarzellen hergestellt, detailliert untersucht und den negativen Einfluss des Transportwiderstands aufgedeckt. Dabei wurden die Strom-Spannungskennlinien unter Beleuchtung, die sich aus dem Wechselspiel aus Ladungsgeneration aus Licht, der Rekombination dieser Ladungsträger und ihrem Transport zu den Elektroden ergeben, gemessen. Diese enthalten die Informationen zur Leistungseffizienz der Solarzellen, so die Forscher. Die Strom-Spannungskennlinien werden mit der sogenannten suns-Voc-Methode verglichen.

Diese Methode erlaubt den Wissenschaftlern zufolge anhand der Messung der Leerlaufspannung unter verschiedenen Beleuchtungsintensitäten, eine alternative Strom-Spannungskurve zu konstruieren, die nicht durch Ladungstransportverluste wie den Transportwiderstand limitiert sind. „Der Transportwiderstand ist ein Resultat der langsamen Ladungsträger in den ungeordneten – aus organischer Tinte prozessierten – Solarzellen. So stehen sich die Ladungsträger selbst im Weg und führen zu einem Verlust von Füllfaktor und damit Leistung“, so Saladina.

Neben der Rekombination wird auch der Transportwiderstand durch die Form der Zustandsdichte der organischen Solarzellen bestimmt, erklärt die Wissenschaftlerin. „Das zeigt, dass wir Schritt für Schritt die physikalischen Grundlagen dieser photovoltaischen Bauelemente immer besser verstehen.“

Neubewertung der Optimierung nötig

Obwohl die Optimierung organischer Solarzellen wegen dieser neuen Ergebnisse neu bewertet werden muss, gibt es kein grundsätzliches Hindernis, um hocheffiziente, gedruckte organische Solarzellen zu fertigen, betont das Forscherteam.

Die Ergebnisse dieses Projektes wurden in der Fachzeitschrift „Reports on Progress in Physics“ (88, 038001 (2025)) veröffentlicht. Das Vorhaben wurde im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“ durchgeführt