Mit Finetuning zum Rekordwert

Forscher erreichen bislang höchste zertifizierte Effizienz organischer Solarzellen

05.11.2018 - Deutschland

Materialwissenschaftler der FAU berichten einen neuen Rekord bei der Leistungsfähigkeit organischer, nicht-fullerenbasierter Einfachstapel-Solarzellen. Durch aufwändige Optimierungen erreichten sie eine zertifizierte Energieeffizienz von 12,25 Prozent auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter. Diese standardisierte Fläche bildet die Vorstufe zur Prototypenherstellung. Die gemeinsam mit Partnern der South China University of Technology (SCUT) erzielten Ergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Energy” veröffentlicht.

Die organische Photovoltaik hat in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Organische Solarzellen bestehen zumeist aus zwei Schichten von Halbleitern – eine fungiert als Donator, also als Elektronenlieferant, die zweite als Akzeptor, also als Elektronenleiter. Im Unterschied zum herkömmlich verwendeten Silizium, das energieintensiv aus der Schmelze gezogen oder im Vakuum aufgedampft wird, können die Polymerschichten aus einer Lösung heraus direkt auf eine Trägerfolie gebracht werden. Das bedeutet zum einen vergleichsweise niedrige Produktionskosten, zum anderen lassen sich die biegsamen Module vielseitiger in urbanen Räumen einsetzen als Siliziumzellen. Lange galten Fullerene, kohlenstoffbasierte Nanokügelchen, als ideale Akzeptoren, doch die intrinsischen Verluste bei fullerenbasierten Kompositen schränken das Effizienzpotential noch zu stark ein. An der FAU hat man deshalb einen Paradigmenwechsel vollzogen: „Gemeinsam mit unseren chinesischen Partnern haben wir ein neues organisches Molekül gefunden, das mehr Licht absorbiert als Fullerene und zudem sehr langlebig ist“, sagt Prof. Dr. Christoph Brabec, Inhaber des Lehrstuhls für Werkstoffwissenschaften (Materialien der Elektronik und der Energietechnologie).

Aufwändige Standardisierung

Die großen Fortschritte bei der Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit machen die organische, hybrid gedruckte Photovoltaik inzwischen interessant für die kommerzielle Nutzung. Doch für die Entwicklung praxisnaher Prototypen muss die Technologie vom Labormaßstab weniger Quadratmillimeter auf das standardisierte Maß von einem Quadratzentimeter transferiert werden. „Bei einer solchen Skalierung treten zumeist erhebliche Verluste auf“, sagt Dr. Ning Li, Materialwissenschaftler am Lehrstuhl von Prof. Brabec. Im Rahmen eines DFG-geförderten Projektes konnten Ning Li und Kollegen von der SCUT in Guangzhou diese Transferverluste deutlich reduzieren. In einem aufwändigen Prozess haben sie beispielsweise Lichtabsorption, Energieniveaus und Mikrostrukturen der organischen Halbleiter gesamtheitlich angepasst. Im Fokus der Optimierungsarbeiten standen vor allem die Kompatibilität von Donator und Akzeptor sowie die Balance von Kurzschlussstromdichte und Leerlaufspannung – wichtige Voraussetzungen einer möglichst hohen elektrischen Ausbeute.

Zertifizierte Rekord-Effizienz

„Man muss sich unsere Arbeit vorstellen wie bei einem Lego-Baukasten“, erklärt Li. „Unsere chinesischen Partner haben einzelne molekulare Gruppen in die Polymerstruktur eingefügt und angepasst – jede dieser Gruppen beeinflusst eine spezielle Eigenschaft, die wichtig für die Solarzellenfunktion ist.“ Im Ergebnis steht eine Energieffizienz von 12,25 Prozent – ein neuer zertifizierter Rekord für lösungsprozessierte organische Einzelstapel-Solarzellen mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter, deren Akzeptor nicht aus Fullerenen besteht. Interessant dabei: Den Forschern ist es gelungen, die Skalierungsverluste so gering zu halten, dass der höchste Laborwert auf kleiner Fläche von knapp 13 Prozent nur unwesentlich unterschritten wurde. Zugleich konnte unter simulierten Betriebsbedingungen, etwa Temperatur und Sonnenlicht, eine produktrelevante Stabilität demonstriert werden.

Im nächsten Schritt wird das Modell in der Solarfabrik der Zukunft am Energie Campus Nürnberg (EnCN) auf Modulgröße skaliert, bevor die Entwicklung praxisnaher Prototypen beginnt.