Holzmaterialien ermöglichen zuverlässige organische Solarzellen
Kraftlignin verbessert die Stabilität von organischen Solarzellen dank seiner Fähigkeit, Wasserstoffbrücken zu bilden, die wie eine Art Klebstoff wirken
Eines der in der Natur am häufigsten vorkommenden organischen Materialien - Lignin - kann zur Herstellung stabiler und umweltfreundlicher organischer Solarzellen verwendet werden. Forscher der Universität Linköping und der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) haben nun gezeigt, dass unbehandeltes Kraftlignin zur weiteren Verbesserung organischer Solarzellen verwendet werden kann. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Sonnenlicht scheint derzeit eine der wichtigsten nachhaltigen Energiequellen zu sein. Herkömmliche Solarzellen aus Silizium sind zwar effizient, ihre Herstellung ist jedoch energieaufwändig und kompliziert, und es können gefährliche Chemikalien freigesetzt werden. Organische Solarzellen sind daher zu einem wichtigen Forschungsgebiet geworden, da sie geringe Produktionskosten, ein geringes Gewicht und eine hohe Flexibilität aufweisen und daher vielseitig einsetzbar sind, z. B. in Innenräumen oder an der Kleidung befestigt, um persönliche elektronische Geräte zu betreiben.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass organische Solarzellen aus Kunststoff oder aus Erdöl gewonnenen Polymeren hergestellt werden. Obwohl sie organisch sind, sind sie also nicht so umweltfreundlich wie sie sein könnten.
Forscher der Universität Linköping und der KTH haben nun eine organische Solarzelle entwickelt, bei der ein Teil der Elektronentransportschicht, die mit der Kathode in der Solarzelle verbunden ist, aus so genanntem Kraftlignin besteht, das direkt aus Holzzellstoff gewonnen wird. Obwohl derzeit nur ein kleiner Teil der Solarzelle aus Lignin besteht, ist es das langfristige Ziel, eine Solarzelle zu bauen, die fast vollständig aus Holzmaterialien besteht.
"Wir wollen effiziente, zuverlässige, billige und umweltfreundliche Solarzellen bauen. Mit dieser Studie können wir zeigen, dass dies möglich ist, und sie ist ein erster Schritt auf dem Weg, die heutigen erdölbasierten Materialien durch holzbasierte Alternativen zu ersetzen", sagt Mats Fahlman, Professor am Laboratory of Organic Electronics (LOE) der Universität Linköping.
In früheren Studien wurden chemisch modifizierte holzbasierte Materialien verwendet, um die Zuverlässigkeit bzw. Stabilität sowohl von organischen Solarzellen als auch von Solarzellen aus dem kristallinen Material Perowskit zu erhöhen. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie verwendeten die Forscher aus Linköping eine "rohe" Version von Lignin, das so genannte Kraftlignin, das bei der Papierherstellung direkt aus dem Holz gewonnen wird. Gemeinsam mit der KTH analysierten sie, welche molekulare Zusammensetzung von Lignin für diesen Zweck am besten geeignet ist.
"Wir haben aus Kraftlignin ein Material bzw. einen Verbundstoff hergestellt, der die Kathodengrenzschicht bilden soll. Es stellte sich heraus, dass die Solarzelle dadurch stabiler wurde. Der Vorteil von Kraftlignin ist, dass es die Fähigkeit hat, viele Wasserstoffbrücken zu bilden, was zur Stabilisierung der Solarzelle beiträgt", sagt Qilun Zhang, leitender Forschungsingenieur bei LOE.
Organische Solarzellen sind bereits im Einsatz, vor allem für Innenanwendungen. Sie können auch Batterien in Sensoren und ähnlichen energiearmen Geräten ersetzen. Laut Mats Fahlman ist dies der erste Schritt auf den Markt für organische Solarzellen. Diese Technologie kann dann für größere Anwendungen wie die reine Energieversorgung aufgestockt werden. Und die Herstellung aus Holzmaterialien würde die gesamte Solarzelle umweltfreundlicher machen.
"Organische Solarzellen werden nie die effizientesten sein. Aber ihr Vorteil ist, dass sie ungiftig, nachhaltig und billig sind. Wenn sie einen Wirkungsgrad von 15-20 Prozent haben, ist das für die meisten Anwendungen mehr als genug", sagt Mats Fahlman.
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Originalveröffentlichung
Qilun Zhang, Tiefeng Liu, Sebastian Wilken, Shaobing Xiong, Huotian Zhang, Iuliana Ribca, Mingna Liao, Xianjie Liu, Renee Kroon, Simone Fabiano, Feng Gao, Martin Lawoko, Qinye Bao, Ronald Österbacka, Mats Johansson, Mats Fahlman; "Industrial Kraft Lignin Based Binary Cathode Interface Layer Enables Enhanced Stability in High Efficiency Organic Solar Cells"; Advanced Materials, 2023-10-9
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