ICFO in Spanien entwickelt organische Batterie mit 7 Nanometer Silberelektrode, Wirkungsgrad 16,94 %

de.wedoany.com-Bericht: Forschern des Instituts für Photonische Wissenschaften Barcelona (ICFO) ist die Entwicklung einer organischen Solarzelle in Vier-End-Tandem-Bauweise gelungen, die einen Wirkungsgrad von 16,94 % erreicht. Der entscheidende Durchbruch liegt in einer nur 7 Nanometer dicken Silberelektrode – das entspricht etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Organische Solarzellen sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und flexiblen Herstellbarkeit vielversprechend, doch ihre photoelektrische Umwandlungseffizienz hinkte bisher hinter der von Silizium-basierten Zellen hinterher. Der von ICFO erzielte Wirkungsgrad übertrifft nicht nur deutlich den bisherigen Referenzwert von 6,5 % für vergleichbare Vier-End-Tandemzellen, sondern auch den offiziellen Rekord von 14,2 % für alle organischen Tandembauteile (einschließlich Zwei-End-Designs).

Der Wirkungsgrad von Einfach-Organischen-Solarzellen ist dadurch begrenzt, dass sie nur einen Teil des Sonnenspektrums absorbieren können. Photonen mit zu hoher Energie gehen als Wärme verloren (Thermalisierungsverluste), während Photonen mit zu niedriger Energie direkt hindurchtreten (Transmissionsverluste). Beide Mechanismen setzen der Effizienz einer einzelnen Zelle eine Obergrenze. Die Tandemstruktur löst dieses Problem, indem sie zwei Subzellen mit unterschiedlichen Bandlücken stapelt, die jeweils auf verschiedene Teile des Spektrums abgestimmt sind und so mehr Photonen einfangen. Dieses Konzept wurde bereits bei Silizium- und Perowskit-Bauteilen nachgewiesen.

Die Herausforderung bei der Herstellung von Zwei-End-Organischen-Tandemzellen besteht darin, dass die Subzellen einen einzigen Stromkreis teilen und die Ströme exakt aufeinander abgestimmt sein müssen, während die Verbindungsschicht gleichzeitig hohe elektrische Effizienz und hohe Transparenz aufweisen muss. Das von ICFO verwendete Vier-End-Design umgeht das Problem der Stromanpassung vollständig. Die vordere und hintere Subzelle verfügen über unabhängige Stromkreise, sodass die Forscher die Bandlücke jeder Subzelle rein nach optimaler Lichtabsorption wählen können.

Um diesen theoretischen Vorteil zu realisieren, wählte das Team für die vordere Zelle PM6:L8-BO als photoaktive Mischung, für die hintere Zelle die schmalbandige Mischung PTB7-Th:O6T-4F zur Absorption infraroter Photonen. Vor der Herstellung bestimmten sie die optimale Bauteilstruktur durch eine Kombination aus Matrixform und inverser Problemlösung. Die zentrale Herausforderung bei der Fertigung war die obere Elektrode der vorderen Zelle. Herkömmliche transparente Silberelektroden haben typischerweise eine Dicke zwischen 9 und 15 Nanometern; das ICFO-Team reduzierte sie auf 7 Nanometer. Diese 7 nm dicke Silberelektrode wurde in einen photonischen Multilayer-Stapel integriert, der abwechselnd Wolframtrioxid (WO₃) und Lithiumfluorid (LiF) verwendet. Diese Struktur bietet eine hohe Transmission im Wellenlängenbereich von 750 bis 1000 nm, sodass Infrarotlicht die hintere Zelle erreicht, während Licht im Bereich von 500 bis 700 nm zur vorderen Zelle zurückreflektiert wird, um ansonsten verlorene Energie zurückzugewinnen.

Bei Tests unter einem Sonnensimulator mit einer Sonnenlicht-Bestrahlungsstärke sowie Quanteneffizienzmessungen erreichte das Bauteil einen Wirkungsgrad von 16,94 %. Der Erstautor der Studie, Francisco Bernal, betonte, dass die Herstellung einer nur 7 nm dicken Elektrode ohne Verluste in der vorderen transparenten Zelle ein bedeutender Fortschritt im Bereich transparenter Zellen sei; die Balance zwischen Transparenz und Leitfähigkeit bei einer Dicke von 7 nm sei beispiellos.

Das ICFO-Team erwägt, die Technologie in photoelektrochemischen Zellen einzusetzen, die Sonnenenergie nutzen, um Wasser in Wasserstoff zu spalten oder Kohlendioxid in Brennstoffe umzuwandeln. Die Forschung fand im Rahmen des SOREC2-Projekts statt. Der Koordinator der Studie, Professor Jordi Martorell, erklärte, dass die Methodik zur Entwicklung und Realisierung der Vier-End-Tandemstruktur genutzt werden könne, um neue Systeme zu entwerfen, in denen die richtige Verteilung des Lichts in den Komponenten für die Leistung des jeweiligen Bauteils entscheidend sei. Das Team konzentriert sich derzeit auf die Verbesserung dieser Methodik und deren Anwendung im Bereich der solaren Brennstoffe, einschließlich der Umwandlung und Veredelung von Kohlendioxid.