Wie organische Solarzellen deutlich effizienter werden könnten

Die Sonne schickt enorme Energiemengen auf die Erde. Dennoch geht ein Teil davon in Solarzellen verloren. Dies stellt ein Hindernis für den Einsatz organischer Solarzellen dar, insbesondere für solche, die sich für innovative Anwendungen eignen. Ein Schlüsselfaktor für die Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit: ein verbesserter Transport der im Material gespeicherten Sonnenenergie. Jetzt hat eine Forschungsgruppe der Technischen Universität München (TUM) gezeigt, dass bestimmte organische Farbstoffe dabei helfen können, virtuelle Autobahnen für die Energie zu bauen.

 

Organische Solarzellen sind leichte, hauchdünne Energiekollektoren und passen als flexible Beschichtung perfekt auf fast jede Oberfläche: Solarzellen auf Basis organischer Halbleiter eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise als Solarpanels und rollbare Folien oder zur Verwendung auf Smart-Geräten. Ein Nachteil bei vielen Anwendungen ist jedoch der vergleichsweise schlechte Transport der im Material gesammelten Energie. Forscher untersuchen die elementaren Transportprozesse organischer Solarzellen, um Wege zu finden, diesen Transport zu verbessern.

 

Anregendes Sonnenlicht

 

Einer dieser Forscher ist Frank Ortmann, Professor für Theoretische Methoden der Spektroskopie an der TUM. Er und seine Kollegen aus Dresden konzentrieren sich vor allem auf die gegenseitige Wechselwirkung zwischen Licht und Material --, insbesondere auf das Verhalten sogenannter Exzitonen. „Exzitonen sind so etwas wie der Brennstoff der Sonne, der optimal genutzt werden muss“, erklärt Ortmann, der auch Mitglied im Exzellenzcluster „e-conversion“ ist. „Wenn Lichtenergie in Form eines Photons auf das Material einer Solarzelle trifft, wird es absorbiert und als angeregter Zustand gepuffert. Dieser Zwischenzustand wird als Exziton bezeichnet.“ Diese Ladungen können erst dann als elektrische Energie genutzt werden, wenn sie eine speziell dafür vorgesehene Schnittstelle erreichen. Ortmann und sein Team haben nun gezeigt, dass sich mit organischen Farbstoffen sogenannte Exzitonen-Transportautobahnen herstellen lassen.

 

Farbstoffe für Turbolader

 

Der Grund, warum es so wichtig ist, dass die Exzitonen diese Grenzfläche so schnell wie möglich erreichen, liegt an ihrer kurzen Lebensdauer. „Je schneller und gezielter der Transport erfolgt, desto höher ist die Energieausbeute und damit auch der Wirkungsgrad der Solarzelle“, sagt Ortmann. Möglich machen dies die Moleküle der organischen Farbstoffe, sogenannte chinoide Merocyanine, dank ihrer chemischen Struktur und ihrer hervorragenden Fähigkeit, sichtbares Licht zu absorbieren. Dementsprechend eignen sie sich auch für den Einsatz als aktive Schicht in einer organischen Solarzelle, erklärt Ortmann.

 

Energiepakete auf der Überholspur

 

Mithilfe spektroskopischer Messungen und Modelle konnten die Forscher beobachten, wie die Exzitonen durch die Farbstoffmoleküle rasen. „Der von unserem Design gelieferte Wert von 1,33 Elektronenvolt liegt weit über den Werten organischer Halbleiter -- Man könnte sagen, die organischen Farbstoffmoleküle bilden eine Art Autobahn“, fügt Ortmann hinzu. Diese grundlegenden neuen Erkenntnisse könnten den Weg für einen gezielten, effizienteren Exzitonentransport in organischen Feststoffen ebnen und die Entwicklung organischer Solarzellen und organischer Leuchtdioden mit noch höherer Leistung beschleunigen.