de.wedoany.com-Bericht: Ein internationales Forschungsteam der schwedischen Linköpings Universität (Linköping University), der deutschen Universität Potsdam (University of Potsdam) und des Berliner Paul-Drude-Instituts (Paul Drude Institute) hat einen versteckten Mechanismus aufgedeckt, der die Leistung organischer Solarzellen begrenzt. Dies könnte der Technologie helfen, die 20-%-Effizienzbarriere zu durchbrechen.
Organische Photovoltaik-Solarzellen werden aus auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien hergestellt und verbrauchen weniger Energie. Sie haben das Potenzial, Strom zu geringeren Kosten zu erzeugen als die ersten beiden Generationen von Solartechnologien. Die Leistung einer Solarzelle wird durch drei Faktoren bestimmt: Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung und Füllfaktor. Die Verbesserung eines dieser Parameter geht jedoch oft zu Lasten eines anderen.
Forscher stehen im Bereich organischer Solarzellen seit langem vor einem Zielkonflikt: Bemühungen zur Erhöhung der Leerlaufspannung führen häufig zu einer Verringerung des Füllfaktors und umgekehrt. Mit dem Anstieg des Wirkungsgrads organischer Solarzellen auf über 20 % wird dieser Widerspruch zunehmend schwer zu überwinden. Dr. Dieter Neher von der Universität Potsdam, Dr. Feng Gao von der Linköpings Universität und Dr. Safa Shoaee vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik haben gemeinsam die Ursachen untersucht.
Das Forschungsteam arbeitete mit anderen Experten auf diesem Gebiet zusammen und analysierte, warum die Effizienzsteigerung organischer Solarzellen auf höheren Niveaus nachlässt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen die Erzeugung freier Ladungen in der aktiven Schicht der Zelle stark vom elektrischen Feld im organischen Halbleitermaterial abhängt. Prof. Neher, Physikprofessor an der Universität Potsdam, weist darauf hin, dass dies zu einer bisher nicht ausreichend verstandenen Begrenzung des Füllfaktors führt, die besonders kritisch wird, wenn Spannungsverluste minimiert werden sollen.
Wenn Sonnenlicht auf eine organische Solarzelle trifft, entstehen gebundene Paare aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Löchern (sogenannte Exzitonen). Diese Exzitonen müssen sich zunächst in freie Ladungen aufspalten, die Strom erzeugen können. Durch die Simulation der gesamten Solarzelle fand das Team heraus, dass die Lebensdauer der Exzitonen und die bei der Ladungstrennung freigesetzte Energie die entscheidenden Faktoren für den Füllfaktor unter Bedingungen geringer Spannungsverluste sind. Das Team konnte nachweisen, dass eine Verlängerung der Exzitonenlebensdauer dieses Problem deutlich entschärft, und entwickelte neue organische Materialkombinationen zur Herstellung von Solarzellen, die gleichzeitig einen hohen Füllfaktor und eine starke Gesamtleistungsabgabe aufweisen.
Die Forscher sind der Ansicht, dass diese Erkenntnisse universelle Gestaltungsprinzipien für die zukünftige Entwicklung organischer Photovoltaik-Materialien und Bauelementarchitekturen liefern. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht.
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