de.wedoany.com-Bericht: Forschern der City University of Hongkong (CityUHK) ist es gelungen, die Leistungsumwandlungseffizienz organischer Solarzellen auf 20,5 % zu steigern. Der Schlüssel liegt in einer neuen Strategie zur Rückgewinnung von Triplett-Exzitonen – diese üblicherweise nicht leuchtenden, als Energieverlustkanal betrachteten angeregten Zustände werden wieder in extrahierbare freie Ladungsträger umgewandelt, wodurch die Energieverluste in herkömmlichen organischen Photovoltaik-Bauteilen reduziert werden.
Triplett-Exzitonen in organischen Solarzellen behinderten aufgrund ihrer langen Lebensdauer und des spinverbotenen Übergangs traditionell eine effiziente Ladungserzeugung. Das von der CityUHK entwickelte Verfahren wandelt diese ursprünglich eingefangenen angeregten Zustände in freie Elektronen und Löcher um, die an den Elektroden gesammelt werden können, und steigert so den Photostromausgang, ohne die Bauteilspannung zu beeinträchtigen. Derzeit liegt die zertifizierte Effizienz organischer Solarzellen bei über 20 %, und im Labormaßstab haben Bauteile durch den Einsatz von Nicht-Fulleren-Akzeptoren, Morphologiekontrolle und Reduzierung von Energieverlusten Wirkungsgrade von über 21 % erreicht.
Die Forscher verwendeten eine organische Solarzelle, die einen kleinen molekularen Nicht-Fulleren-Akzeptor (NFA) namens FTh-4F integriert. Dieser Akzeptor gehört zur Familie der kondensierten Ringelektronenakzeptoren und zeichnet sich durch starke Nahinfrarot-Absorption, effizienten Elektronentransport und geringe Energieverluste aus. „Durch die Einführung dieses Akzeptors als ternäre Komponente in andere organische Photovoltaik-Wirtsysteme haben wir die triplettvermittelten Verluste wiederhergestellt und die organische Photovoltaik-Effizienz durch Maximierung der Anzahl extrahierbarer Phototräger verbessert“, erklärte das Forschungsteam.
Experimente ergaben, dass die Lebensdauer freier Ladungsträger weitaus länger ist als die von Spin-Triplett-Exzitonen, was darauf hindeutet, dass Triplett-Exzitonen wieder in freie Ladungsträger umgewandelt werden können, anstatt als Wärme verloren zu gehen. Durch Sensibilisierung zur Erhöhung der Anzahl von Triplett-Exzitonen bestätigten die Forscher diesen Rückgewinnungsweg mithilfe von Experimenten mit Grenzflächen-Triplett-Ladungstransferzuständen. Darüber hinaus verringerte die Optimierung der Seitenkettenstruktur des Akzeptors und der Exzitonendelokalisierung die Singulett-Triplett-Energielücke (ΔEST), wodurch die Triplett-Exzitonen-Dissoziation effizienter wurde. Nachfolgende Laborexperimente steigerten die Leistungsumwandlungseffizienz auf über 21 %, weitere Details wurden jedoch nicht bekannt gegeben.
Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Recycling of spin-triplet excitons in organic photovoltaics“ in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Forscher erklärten: „Diese Studie vervollständigt den wissenschaftlichen Rahmen der Exzitonen-/Ladungsträgerentwicklung in organischen optoelektronischen Bauteilen und eröffnet breite Anwendungsperspektiven für Systeme, die Ladungstrennungs- und Ladungsrekombinationsprozesse beinhalten. Es wird erwartet, dass sie die Energieausnutzungseffizienz erheblich verbessert und den Übergang zu einer saubereren, effizienteren und nachhaltigeren Zukunft vorantreibt.“
