Organische Solarzellen haben eine photoaktive Schicht, die aus Polymeren und kleinen Molekülen besteht. Die Zellen sind sehr dünn, können flexibel sein und lassen sich leicht herstellen. Der Wirkungsgrad dieser Zellen liegt jedoch noch weit unter dem der herkömmlichen Siliziumzellen. Angewandte Physiker der Universität Groningen haben nun eine organische Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 17 Prozent hergestellt, was im Spitzenbereich für diese Art von Material liegt. Sie hat den Vorteil, dass sie eine ungewöhnliche Bauelementestruktur verwendet, die mit einer skalierbaren Technik hergestellt wird. Das Design beinhaltet eine leitende Schicht aus Zinnoxid, die durch Atomlagenabscheidung hergestellt wird. Die Wissenschaftler haben auch mehrere Ideen, um die Effizienz und Stabilität der Zelle weiter zu verbessern. Die Ergebnisse wurden am 31. März in der Zeitschrift Advanced Materials beschrieben.
In organischen Solarzellen wandeln Polymere und kleine Moleküle Licht in Ladungen um, die an den Elektroden gesammelt werden. Diese Zellen werden als dünne Filme aus verschiedenen Schichten – jede mit ihren eigenen Eigenschaften – hergestellt, die auf ein Substrat aufgebracht werden. Am wichtigsten sind die photoaktive Schicht, die Licht in Ladungen umwandelt und die Elektronen von den Löchern trennt, und die Transport- und Sperrschicht, die die Elektronen selektiv zur Elektrode lenkt.
Stabilität
In den meisten organischen Solarzellen besteht die Elektronentransportschicht aus Zinkoxid, einem hochtransparenten und leitfähigen Material, das sich unter der aktiven Schicht befindet“, erklärt David Garcia Romero, Doktorand in der Gruppe für Photophysik und Optoelektronik am Zernike Institute for Advanced Materials der Universität Groningen unter der Leitung von Professor Maria Antonietta Loi. Garcia Romero und Lorenzo Di Mario, ein Postdoktorand in derselben Gruppe, hatten die Idee, Zinnoxid als Transportschicht zu verwenden. Zinkoxid ist photoreaktiver als Zinnoxid, und daher sollte letzteres zu einer höheren Stabilität der Geräte führen“, erklärt er.
Obwohl Zinnoxid in früheren Studien vielversprechende Ergebnisse gezeigt hatte, war der beste Weg, es zu einer geeigneten Transportschicht für eine organische Solarzelle zu züchten, noch nicht gefunden worden. Wir haben die Atomlagenabscheidung verwendet, eine Technik, die im Bereich der organischen Photovoltaik lange Zeit nicht eingesetzt wurde“, sagt Garcia Romero. Sie hat jedoch einige wichtige Vorteile: Mit dieser Methode können Schichten von außergewöhnlicher Qualität erzeugt werden, und sie ist auf industrielle Prozesse skalierbar, zum Beispiel im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
Organische Solarzellen: Skalierbarkeit
Die organischen Solarzellen, die mit dem durch Atomlagenabscheidung aufgebrachten Zinnoxid hergestellt wurden, zeigen eine sehr gute Leistung. Wir haben einen Spitzenwirkungsgrad von 17,26 Prozent erreicht“, sagt Garcia Romero. Der Füllfaktor, ein wichtiger Parameter für die Qualität der Solarzellen, zeigte Werte von bis zu 79 Prozent, was mit den Rekordwerten für diese Art von Struktur übereinstimmt. Außerdem konnten die optischen und strukturellen Eigenschaften der Zinnoxidschicht durch Variation der Temperatur, bei der das Material abgeschieden wird, eingestellt werden. Eine maximale Energieumwandlung wurde in Zellen mit einer Transportschicht erreicht, die bei 140 Grad Celsius abgeschieden wurde. Dasselbe Ergebnis konnte für zwei verschiedene aktive Schichten nachgewiesen werden, was bedeutet, dass das Zinnoxid die Effizienz auf generische Weise verbessert.
Unser Ziel war es, organische Solarzellen effizienter zu machen und Methoden zu verwenden, die skalierbar sind“, sagt Garcia Romero. Der Wirkungsgrad liegt nahe am derzeitigen Rekord für organische Solarzellen, der bei 19 Prozent liegt. Und wir haben die anderen Schichten noch nicht optimiert. Wir müssen unsere Struktur also noch ein bisschen weiter entwickeln. Garcia Romero und sein Mitautor Lorenzo di Mario wollen auch versuchen, Zellen mit größerer Fläche herzustellen. Diese sind in der Regel weniger effizient, werden aber benötigt, um reale Anwendungen und Paneele zu entwickeln.
Verbesserung
Die neue Solarzelle mit einem beeindruckend hohen Füllfaktor ist ein guter Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung. Garcia Romero: „Für die Übernahme durch industrielle Partner ist es vielleicht noch etwas früh; wir müssen erst noch weiter forschen. Und wir hoffen, dass unsere Anwendung der Atomlagenabscheidung andere auf diesem Gebiet inspirieren wird. Wir sind immer bestrebt zu verstehen, was in einem Material und in einer Gerätestruktur vor sich geht“, fügt Professor Loi hinzu. Wir sind der Meinung, dass es hier noch Raum für Verbesserungen geben könnte. In diesem Prozess ist unsere Zinnoxid-Transportschicht ein großer erster Schritt. Diese Klasse von Solarzellen könnte aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Transparenz einen wichtigen zusätzlichen Beitrag zur Energiewende leisten. Wir gehen davon aus, dass sie ganz anders eingesetzt werden als Silizium-Paneele“, sagt Loi. Wir müssen jetzt breiter denken und über den Tellerrand hinausschauen.
