Sie sind leicht, einfach zu installieren und können ohne großen Aufwand mit einem industriellen Drucker produziert werden: Solarzellen aus Kunststoff. Noch sind sie herkömmlichen Solarmodulen in der Effizienz unterlegen. Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, Vorgänge bei der Herstellung der organischen Solarzellen auf molekularer Ebene in Echtzeit zu beobachten. Die Ergebnisse, die im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht wurden, helfen dabei, die Leistung organischer Solarzellen zu verbessern.
Solarmodule, die auf den Dächern vieler Häuser zu sehen sind, bestehen größtenteils aus dem Halbleiter Silizium. Sie sind schwer, ihre Befestigung auf Dächern daher aufwändig. Auch fügen sie sich oft nicht harmonisch in die Umgebung ein.
Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen sind die sogenannten organischen Solarzellen, die aus Kunststoff bestehen. Diese können einfach als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt werden. Die Installation dieses Films an verschiedenen Orten ist unkompliziert. Außerdem ist es auch möglich, die Farbe und Form der Solarzellen zu verändern. Allerdings gibt es einen Nachteil: Noch reicht die Effizienz der organischen Photovoltaik nicht an die Silizium-Solarzellen heran.
Prozesse auf Nanoebene
Eine Stellschraube, um mithilfe der flexiblen Solarzellen mehr Energie aus der Sonne zu gewinnen, ist die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials. Diese ist wichtig für die Energieumwandlung. Denn wie bei der "klassischen" Solarzelle müssen freie Elektronen erzeugt werden. Dazu benötigen Kunststoffsolarzellen zwei Materialtypen: Einen, der Elektronen abgibt (Elektronendonator), und einen, der sie wieder aufnimmt (Elektronenakzeptor). Diese Materialien müssen eine möglichst große Grenzfläche zueinander aufweisen, um Licht in Strom umzuwandeln. Wie genau sich die Moleküle beim Drucken der Solarzellen zueinander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungsvorgangs wachsen, ist nicht bekannt.
"Um die Anordnung der Bausteine gezielt beeinflussen zu können, müssen wir verstehen, was auf molekularer Ebene passiert", erklärt Dr. Eva M. Herzig von der Munich School of Engineering (MSE) der TUM. Solche kleinen Strukturen innerhalb eines trocknenden Films zeitaufgelöst zu messen ist eine experimentelle Herausforderung.
Je langsamer, desto effizienter
Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, Röntgenstrahlung, um die Moleküle und deren Prozesse während des Druckens eines Kunststoff-Films sichtbar zu machen. Dabei identifizierte er verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen.
Anfangs verdampft das Lösungsmittel, wodurch sich die Konzentration der Kunststoffmoleküle im noch feuchten Film stetig erhöht. Ab einer gewissen Konzentration beginnt das Material, das als Elektronendonator fungiert, zu kristallisieren; die Moleküle des Elektronenakzeptors bilden Aggregate. Die Elektronendonator-Kristalle vergrößern sich schnell, was dazu führt, dass sich auch die Elektronenakzeptor-Aggregate weiter zusammenschieben. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenzflächen zwischen den beiden Materialien fest. Diese sind entscheidend für die Effizienz. Um die Solarzellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozessschritt angesetzt werden.
In der letzten Phase finden noch Optimierungsprozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungsdichte in den Kristallen.
"Die Geschwindigkeit der Herstellung spielt eine wichtige Rolle", erklärt Pröller. Bei schnelleren Trocknungsvorgängen bleibt der Ablauf zwar gleich. Allerdings beeinflussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Strukturbildung. Eine langsamere Strukturbildung wirkt sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus.
Die Forscher wollen nun die gewonnenen Kenntnisse der Abläufe nutzen, um gezielt mit weiteren Parametern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Diese Ergebnisse können dann in die industrielle Herstellung übertragen und diese damit optimiert werden.
Bilder zum Download: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1289526#1289526
Publikation:
Organic Solar Cells: Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells, Pröller et al., Advanced Energy Materials, Volume 6, Issue 1, January 2016.
DOI: 10.1002/aenm.201501580http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201501580/full
Kontakt:
Dr. Eva M. Herzig
Technische Universität München
Munich School of Engineering
Tel: +49-(0)89-289-13831eva.herzig@ph.tum.dewww.opv.mse.tum.de—
Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 39.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, ergänzt um Wirtschafts- und Bildungswissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.www.tum.de
Mit dem Absenden dieses Formulars stimmen Sie zu, dass das pv magazine Ihre Daten für die Veröffentlichung Ihres Kommentars verwendet.
Ihre persönlichen Daten werden nur zum Zwecke der Spam-Filterung an Dritte weitergegeben oder wenn dies für die technische Wartung der Website notwendig ist. Eine darüber hinausgehende Weitergabe an Dritte findet nicht statt, es sei denn, dies ist aufgrund anwendbarer Datenschutzbestimmungen gerechtfertigt oder ist die pv magazine gesetzlich dazu verpflichtet.
Sie können diese Einwilligung jederzeit mit Wirkung für die Zukunft widerrufen. In diesem Fall werden Ihre personenbezogenen Daten unverzüglich gelöscht. Andernfalls werden Ihre Daten gelöscht, wenn das pv magazine Ihre Anfrage bearbeitet oder der Zweck der Datenspeicherung erfüllt ist.
Weitere Informationen zum Datenschutz finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.