Eine aktuelle Studie unter Leitung der Technischen Universität Chemnitz, veröffentlicht in „Advanced Materials“, beleuchtet die Auswirkungen einer extremen Verdünnung des Polymerdonors in organischen Solarzellen. In einem innovativen Ansatz wurde das übliche Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis auf bemerkenswerte 1% Donoranteil reduziert. Das Materialsystem PM6:Y12 diente als Basis, um die Nanomorphologie, den Ladungstransport und die Rekombination in diesen Solarzellen eingehend zu analysieren. Diese Forschung ist Teil der DFG-Forschungsgruppe „POPULAR“, die von Prof. Dr. Carsten Deibel geleitet wird, und erhält eine Förderung von rund fünf Millionen Euro, um die Entwicklung organischer Solarzellen durch Druckprozesse voranzutreiben.
Organische Solarzellen bestehen aus einem Donor als Elektronenspender und einem Akzeptor als Elektronenempfänger. Diese Studie zeigt, dass die Verdünnung des Donors die Topologie des Transportnetzwerks entscheidend verändert. Für die Untersuchung wurden PM6:Y12-Bulk-Heteroübergangs-Solarzellen mit verschiedenen Donoranteilen zwischen 1% und 45% hergestellt. Dabei kamen strukturelle, optische und elektrische Methoden zur Charakterisierung zum Einsatz. Die Analyse mittels GIWAXS und RSoXS offenbart, dass bei Donoranteilen unter 5% eine lamellare Stapelung entsteht, die eine effektive Ladungsextraktion ermöglicht.
Einblicke in Führungsmethoden und -ergebnisse
Wesentliche Erkenntnisse der Studie zeigen, dass die effektive Leitfähigkeit der aktiven Schicht signifikant abnimmt, wenn der Donoranteil niedrig ist, während gleichzeitig eine temperaturunabhängige Skalierung bleibt. Die Topologie des PM6-Transportnetzwerks wird als entscheidend für die Leitfähigkeit und Beweglichkeit identifiziert. Exziton-Quenchingexperimente belegen eine hohe Ausbeute der PM6-Exzitonen, und bei Donoranteilen unter 5% wurde eine qualitative Änderung der Rekombinationsdynamik festgestellt. Ein Übergang von Langevin- zu Smoluchowski-artiger Rekombination konnte identifiziert werden, was wichtige Implikationen für künftige Entwicklungen hat. Die Studie bietet somit einen quantitativen Rahmen zur Beschreibung von Transportwiderständen in Solarzellen.
Parallel zu diesen Entwicklungen engagiert sich das Projekt „EXTRAORDINAIRE II“ in der Identifizierung neuer nicht-Fullerene-Elektronenakzeptormoleküle (NFA) für die organische Photovoltaik. Das Projekt zielt darauf ab, eine Leistungseffizienz von über 20% zu erreichen. Dieser Fortschritt baut auf einer vorherigen Förderperiode auf, in der wichtige Materialeigenschaften wie die Energie und Lebensdauer des Triplett-Zustands sowie die Reorganisationsenergie für die Exzitonendissoziation identifiziert wurden.
Innovationen und Potentiale in der organischen Photovoltaik
Anwendung intelligenter Ansätze, unterstützt durch künstliche Intelligenz, soll zur Identifikation vielversprechender NFA-Moleküle führen. Das Konsortium arbeitet an der hochdurchsatzartigen Synthese organischer Moleküle und deren Leistungsbestimmung. Die physikalisch basierte Methodik soll die Vorhersagequalität verbessern und übertrifft potenziell die rein leistungsgetriebene Optimierung in der Materialforschung.
Ein weiteres spannendes Forschungsprojekt, bekannt als „Flex16“, wurde am 1. Mai 2024 gestartet, um flexible organische Photovoltaik-Folien mit hohen Wirkungsgraden zu entwickeln. Der Fokus liegt auf neuen Halbleitermaterialien und Zell-Designs, die es ermöglichen, diese Folien auf Flächen zu verwenden, die für herkömmliche Module ungeeignet sind. Derzeit liegt der Wirkungsgrad organischer Solarzellen zwischen 8 und 9 Prozent, während das langfristige Ziel die Steigerung auf 20 Prozent unter Laborbedingungen anstrebt, was mit den aktuellen Siliziumsolarzellen vergleichbar ist.
Heliatek, ein Unternehmen, das das Rolle-zu-Rolle-Verfahren im Vakuumprozess nutzt, stellt diese Folien in Deutschland her. Die Forschung zielt darauf ab, durch neue Absorber und Akzeptormaterialien Spannungsverluste zu reduzieren und die Bauelementstapel für eine erhöhte Effizienz und Lebensdauer der Solarzellen zu verbessern. Mit Blick auf den internationalen Tag der Sonne am 3. Mai, der den Ausbau der Photovoltaik fördert, zeigt sich das enorme Potenzial der Solarenergie, das kontinuierlich weiterentwickelt wird.
TU Chemnitz berichtet, dass die DFG-Forschungsgruppe „POPULAR“ mit 14 Wissenschaftlern besetzt ist und sich dem Ziel widmet, die Herstellung dieser innovativen Solarzellen zu optimieren.
Die Ergebnisse dieser beiden Forschungsansätze bilden einen wichtigen Baustein für die zukünftige Ausgestaltung der organischen Photovoltaik und können entscheidend zu nachhaltigen Energiequellen beitragen.
Gepris bietet weitere Informationen zu den detaillierten Zielen und Methodiken des Projekts „EXTRAORDINAIRE II“.
Ein umfassender Überblick zu den neuesten Entwicklungen in der organischen Photovoltaik findet sich auch bei Energieforschung.