Ohne Zusatzstoffe: Wie organische Solarzellen effizienter werden

Organische Photovoltaik könnte in billiger Massenproduktion hergestellt werden und erneuerbare Energie bereitstellen. Die Materialien sind jedoch bei Kontakt mit Sauerstoff-oder starker Bestrahlung chemisch instabil. Ein Forscherteam hat sich dem Problem nun angenommen und einen wertvollen Beitrag für die Weiterentwicklung organischer Photovoltaik-Zellen geliefert.

20231013 solar trockner v02 Trocknet man das aktive Material einer Organischen Photovoltaik-Zelle erhöht sich dessen chemische Stabilität und die Effizienz. © Reiner Müller, FRM II / TUM

Trocknet man das aktive Material einer Organischen Photovoltaik-Zelle erhöht sich dessen chemische Stabilität und die Effizienz. © Reiner Müller, FRM II / TUM

Man stelle sich eine Solarzelle vor, die flexibel, unglaublich leicht und dabei auch noch billig in der Herstellung ist. Blickt man auf die großen, schweren Silizium-basierten Zellen, die auf mehr und mehr Dachflächen inzwischen ein vertrauter Anblick geworden sind, klingt das nach Science-Fiction.
Schon seit den 1980er Jahren jedoch arbeiten Forschende an der nächsten Entwicklungsstufe der Stromerzeugung durch Sonnenenergie, nämlich der organischen Photovoltaik (OPV). Zwei verschiedene organische Moleküle dienen als Elektronenspender und –akzeptor.

Effizienz zu niedrig, Lebensdauer zu kurz
Ein Problem bleibt jedoch: die Effizienz von OPV-Zellen lagen lange weit unter der herkömmlicher Solarzellen.
Einen Ansatz, dies anzugehen, ist die Nutzung von Lösungsmittelzusätzen während des Auftragens des aktiven Materials auf die Elektrode. Sie lösen die beiden Molekülarten des aktiven Materials unterschiedlich stark und erleichtern so die Bildung der Mikrostrukturen an deren Grenzflächen, wo freie Elektronen erzeugt werden und somit Strom fließt. Je größer die Grenzflächen, desto mehr Elektronen, desto mehr Strom. So steigt die Effizienz.

„Allerdings haben wir festgestellt, dass diese Zusätze den Zellen später im Nutzungsbetrieb schaden und ihre Effizienz und chemische Stabilität herabsetzen können“, erklärt Dominik Schwaiger, Physik-Doktorand an der Technischen Universität München. Er arbeitet am Lehrstuhl für Funktionelle Materialien unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum, bis 2023 Wissenschaftlicher Direktor der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) und am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

Dominik Schwaiger erklärt: „Der Verlust an Effizienz findet immer statt, wenn die Zellen Sauerstoff oder Licht ausgesetzt sind.“ Die Lebensdauer der Zellen verkürzt sich dadurch maßgeblich.

20230329 frm2 ae compressed Am FRM II können Wiebke Lohstroh und ihre Kolleg:innen Forschenden eine Vielzahl von Probenumgebungen zur Verfügung stellen. Hier arbeitet sie an einem Kryostaten. © Astrid Eckert, FRM II / TUM

Am FRM II können Wiebke Lohstroh und ihre Kolleg:innen Forschenden eine Vielzahl von Probenumgebungen zur Verfügung stellen. Hier arbeitet sie an einem Kryostaten. © Astrid Eckert, FRM II / TUM

Wie stabil ist das Molekül?
Also trocknete er die Schichten nach der Herstellung, um die Zusätze zu entfernen. „Um zu beobachten, wie sich die getrockneten Proben im Vergleich zu den nicht getrockneten verhalten, haben wir sie mit verschiedenen spektroskopischen Experimenten untersucht“, sagt Schwaiger.

Mit Spektroskopie analysieren Forschende die Wellenlänge und Intensität des Lichts, das von ihren Proben ausgesendet oder reflektiert wird. Dr. Wiebke Lohstroh, Dr. Christopher Garvey, Dr. Marcell Wolf und Adrian Stephan vom FRM II haben für einen Teil der Experimente mit Laser-Licht den Thermostat des Neutroneninstruments TOFTOF als Probenumgebung zur Verfügung gestellt und Unterstützung geleistet. „Zum Beispiel haben wir damit die Licht-Absorption und die Stabilität von bestimmten Molekülbindungen untersucht“, so Dominik Schwaiger.

Schritt zu höherer Effizienz
Haben die Ergebnisse also gezeigt, worauf man bei der Herstellung von OPV-Zellen achten muss? Dominik Schwaiger bejaht: „Es ist wichtig, die Zusätze aus dem Material zu entfernen, bevor es in den Nutzungsbetrieb geht. Um die chemische Stabilität möglichst hoch zu halten, ist eine gründliche Trocknung bei hohen Temperaturen und gegebenenfalls ein Vakuum nötig.“

Aktuelle Forschungsergebnisse anderer Gruppen zeigen, dass OPV-Zellen teils bereits eine Effizienz von über 19% erreicht haben, wodurch sie bald genauso interessant wie Silizium-basierte Zellen werden.
Vielleicht also doch keine Science-Fiction.