Organische Solarzellen: Wie der Durchbruch endlich gelingen könnte

Seit Jahren forschen Ingenieurinnen und Ingenieure an organischen Solarzellen. Die innovativen Module bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, sprich organischen Molekülen – und eben nicht aus anorganischen Halbleitern. In der Praxis zeigen organische Solarzellen viele wünschenswerte Eigenschaften, was sie zu idealen Kandidaten für den flächendeckenden Einsatz macht. Sie lassen sich preisgünstig herstellen, die Materialkosten sind gering. Dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, eine günstige, organische Solarzelle auf flexibler Folie herzustellen. Ressourcenengpässe, etwa durch selten vorkommende Edelmetalle wie Silber, stellen ebenfalls kein Problem dar. Und nicht zuletzt lassen sich organische Solarzellen auf fast jeder Oberfläche befestigen; Oft reicht normales Klebeband dafür aus.

„Organische Solarzellen können vieles, was anorganische Solarzellen nicht können, aber ihre kommerzielle Entwicklung ist in den letzten Jahren ins Stocken geraten, zum Teil wegen ihrer geringeren Effizienz“, sagt Alexander Gillett vom Cavendish Laboratory in Cambridge. „Eine typische Solarzelle auf Siliziumbasis kann einen Wirkungsgrad von 20% bis 25% erreichen, während organische Solarzellen unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von etwa 19% und unter realen Bedingungen einen Wirkungsgrad von etwa 10% bis 12% erreichen.“

Das könnte sich bald ändern: Ingenieurinnen und Ingenieuren der University of California in Santa Barbara ist ein Durchbruch gelungen. Das US-amerikanische Team identifizierte einen Pfad in organischen Solarzellen, bei dem Strom verlorengeht, wodurch sie bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom weniger effizient sind als Zellen auf Silizium-Basis. Sie entdeckten auch eine Möglichkeit, dies zu unterdrücken, indem sie Moleküle innerhalb der Solarzelle manipulierten, um einen unerwünschten Zustand zu unterdrücken, der zu Stromverlusten führt.

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Organische Solarzellen – wo die Schwachstellen liegen 

Mithilfe einer Kombination aus Spektroskopie und Modellierung am Computer konnten Forschende die in organischen Solarzellen ablaufenden Mechanismen von der Absorption der Photonen bis zur Rekombination, also der Vereinigung von Ladungsträgern, verfolgen. Sie fanden heraus, dass ein wichtiger Verlustmechanismus den Wirkungsgrad verringert.

Zum Hintergrund: Organische Solarzellen erzeugen Strom, indem sie den natürlichen Prozess der Photosynthese in Pflanzen nachahmen, mit dem Unterschied, dass sie letztlich die Energie der Sonne nutzen, um Strom zu erzeugen, anstatt Kohlendioxid und Wasser in Glukose umzuwandeln. Wenn ein Photon auf eine Solarzelle trifft, regt es ein Elektron an und hinterlässt ein „Loch“ in der elektronischen Struktur des Materials. Die Kombination aus einem angeregten Elektron und einem Loch wird als Exziton bezeichnet. Wenn die gegenseitige Anziehung zwischen dem negativ geladenen Elektron und dem positiv geladenen Loch überwunden werden kann, ist es möglich, Elektronen und Löcher als elektrischen Strom abzugreifen.

Allerdings können Elektronen in Solarzellen ihre Energie verlieren und in das Loch zurückfallen: Ein Prozess, der als Ladungsrekombination bezeichnet wird. Organische Solarzellen sind anfälliger für Rekombinationen, da die Anziehungskraft zwischen Elektron und Loch in kohlenstoffbasierten Materialien stärker ist als in Silizium. Dies wiederum beeinträchtigt bekannterweise ihre Effizienz.

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Herausforderungen für die organische Chemie

In bislang hergestellten organischen Solarzellen lassen sich solche Vorgänge schwer umgehen, weil sie energetisch bevorzugt ablaufen. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass es durch starke molekulare Wechselwirkungen zwischen den Elektronendonor- und Elektronenakzeptor-Materialien möglich ist, das Elektron und das Loch voneinander entfernt zu halten. Der entscheidende Schritt gelang mit einem Material, das zusätzlich Elektronen abgibt, in Kombination mit einem Molekül, das Elektronen aufnimmt.

Was theoretisch einfach klingt, erwies sich in der Praxis als große Herausforderung. Es dauerte mehr als zwei Jahre, bis sechs verschiedene Teams alle Experimente abgeschlossen und die Daten zusammengetragen hatten. Jetzt können Chemiker geeignete Materialien synthetisieren, die nicht nur im Labor gute Daten liefern. Organische Solarzellen sollen unter normalen Bedingungen eine hohe Lebensdauer haben. Daran arbeiten die Ingenieurinnen und Ingenieure gerade. In ihrer Arbeit sehen sie einen wesentlichen Schritt, um der Technologie endlich zum Durchbruch zu verhelfen.

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