Organische Photovoltaik: Jülicher Forscher entwickeln hocheffiziente Solarzellen mit gesteigerter Solarstrom-Ausbeute

Zusammen mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern haben Jülicher Photovoltaik-Forscher neuartige organische Solarzellen mit gesteigerter Energieausbeute entwickelt:

Diese nutzen Materialien aus speziellen Molekülen, die eine Reihe von Vorteilen bieten: Sie absorbieren Licht besser, sind stabiler und kostengünstiger herzustellen als die bisher verwendeten Werkstoffe.
Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichten die Wissenschaftler nun in zwei Artikeln in den Fachzeitschriften „Nature Materials“ und „Energy and Environmental Science“.
Die in organischen Solarmodulen verwendeten leitfähigen Moleküle können Photonen sehr gut aufnehmen – deshalb genügen schon Schichtdicken von etwa 100 Nanometern. Um jedoch einen Stromfluss zu gewährleisten, müssen die durch das Licht freigesetzten Elektronen auch aus dem Material extrahiert werden.
Dazu wird es angereichert mit sogenannten Fullerenen: hohle, in sich geschlossene Moleküle aus 60 oder 70 Kohlenstoffatomen in der Form eines mikroskopischen Fußballs, die als sogenannte Elektronenakzeptoren fungieren. Allerdings sind diese Kohlenstofffußbälle nur schlecht in der Lage, sichtbares Licht aufzunehmen – offensichtlich ein entscheidender Nachteil für Solarzellen.
Auch sind die Fulleren-haltigen Materialien vergleichsweise energieintensiv in der Herstellung und nicht sehr stabil. Deshalb suchen Forscher nach Alternativen: Moleküle mit der elektrischen Leitfähigkeit von Fullerenen, doch ohne deren Schwachpunkte.

Stabiler, billiger, effizienter
Die Photovoltaikforscherin Dr. Derya Baran vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung und dem Imperial College London ist die Erstautorin von zwei Studien, in denen ein internationales Team von Wissenschaftlern neue Materialen für organische Solarzellen vorstellt – ohne Fullerene. Mit ihnen lassen sich Effizienz und Stabilität der Zellen steigern, bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten.
Die in Nature Materials veröffentlichte Studie präsentiert ein neues Solarzellenmaterial aus drei verschiedenen Molekülen. Die komplexe Dreifachmischung aus einem Polymer und zwei kleinen Molekülen als Elektronenakzeptoren übertrifft in ihrer Leistung Mischungen mit nur einer Art von Akzeptormolekül.
Darüber hinaus erlauben die verwendeten Moleküle die Nutzung von stabileren Polymeren, die außerdem einfach zu produzieren sind. Das senkt die Herstellungskosten. Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus dem neuen Material übertrifft mit 7,7 Prozent den von Fulleren-haltigen Zellen mit dem gleichen Polymer bei weitem und lässt sich bei Verwendung von komplexeren Polymeren auf bis zu 11 Prozent steigern.