Organische Solarzellen: als Low-Cost-Technologie marktfähig

Vielfältige Verbesserungen erhöhen das Einsatzpotenzial

© IMEC

(a) Schematischer Aufbau der organischen Solarzelle, (b) SEM- und (c) FIB/TEM-Querschnitte der polymerischen Solarzelle mit Spray-coat Ag Top-Kontakt.

Ein vertieftes Verständnis der Physik organischer Solarzellen hat eine Steigerung der Wandlereffizienz auf bis zu 7 Prozent ermöglicht: Bald dürften 10 Prozent Wirkungsgrad erreicht sein.

Ihr kommerzieller Einsatz verlangt aber auch nach einer Lebensdauer von 5 bis 7 Jahren. Forscher am IMEC versuchen das Einsatzpotenzial der Technologie durch weitere Verbesserungen noch zu erhöhen.

Trotz stetiger Fortschritte sind organische Solarzellen noch nicht reif für die großvolumige Stromerzeugung. Trotzdem entwickeln sich etliche Nischenanwendungen, etwa in Kleidungsstücken zur Batterieversorgung von Mobiltelefonen oder MP3-Playern. In solchen Applikationen sind ihre mechanische Flexibilität, das geringe Gewicht und niedrige Kosten, ihre einfache Verarbeitung und die Betriebsfähigkeit in variierenden Beleuchtungssituationen wichtige Schlüsseleigenschaften.

Die notwendigen Verbesserungen, um die nach wie vor mangelnde Effizienz und Stabilität zu verbessern, beinhaltet die Optimierung der Absorptionsspektren der organischen molekularen Layer, ihrer Dicke, der Exziton-Diffusionslänge, der (Nano-)Morphologie der aktiven Layer und der Zellen-Architektur (Planar- versus Bulk-Heterojunction, Einfach- versus Tandemzelle).

Viele Herausforderungen der organischen Photovoltaik erwachsen aus ihrer speziellen Physik. Anders als in anorganischen Solarzellen, bei denen die Photonenabsorption freie Elektronen und Löcher erzeugt, resultiert die Photonenabsorption in organischen Halbleitern in der Erzeugung eines Exzitons, eines gebundenen Elektronen-Loch-Paares. Der Schlüssel zur effizienten Photostromerzeugung ist das Vorhandensein eines Interface zwischen zwei organischen Halbleiters, die als Donor (D) und Akzeptor (A) bezeichnet werden. Dieses Interface erlaubt die Auftrennung der Exzitonen in freie Elektronen und Löcher. Diese fließen daraufhin zu den A- bzw. D-Materialen und generieren so den gewünschten Photostrom.

Über die Jahre wurden die unterschiedlichsten Klassen organischer Materialien auf ihre Verwendbarkeit untersucht. Wir beschränken uns hier auf zwei Hauptklassen: (1) organische Solarzellen nach dem Heterojunction-Prinzip zwischen polymerischen Materialien und (2) Materialien mit geringem Molekülgewicht. Die Übergänge in organischen Solarzellen mit kleinen Molekülen sind typischerweise planar strukturiert, meist werden sie durch thermisches Aufdampfen im Vakuum oder Dampfphasen-Deposition der molekularen Komponenten erzeugt.

Mögliche Architekturen für das Donor/Akzeptor-Interface

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Die Effizienz organischer Solarzellen erhöhte sich in den letzten zehn Jahren kontinuierlich. Das durchgängig verwendete und von vielen Gruppen eingehend untersuchte Materialsystem der organischen Photovoltaik wird derzeit durch die Bulk-Heterojunction-Solarzellen auf der Basis von Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) und dem Fulleren-Derivativ PCBM repräsentiert. Sie erzielen Wirkungsgrade von 3 bis 5 Prozent und Lebensdauern von einigen Tagen oder Monaten. Im Verein mit der Entwicklung neuer Typen von Donormaterialien wie Polyfluorenen wurden in den beiden letzten Jahren Rekordwerte für den Wirkungsgrad der organischen Photovoltaik von nahezu 7 Prozent erzielt.

Auf dem Papier lässt sich leicht eine organische Solarzelle mit 15 Prozent Wirkungsgrad entwerfen. Das entsprechende organische Material für diese Zelle ist allerdings noch nicht gefunden. Doch in der Zwischenzeit gab und gibt es laufende Forschritte, die OPV zu einer ökonomisch nutzbaren Technologie machen können.

1. Teil: Vielfältige Verbesserungen erhöhen das Einsatzpotenzial
2. Teil: Absorption, Exziton-Diffusion
3. Teil: Landungstransfer und -sammlung
4. Teil: Auf dem Weg zur Kommerzialisierung
5. Teil: Kostengünstige Deposition mit hohem Durchsatz
6. Teil: Potential großvolumiger Stromerzeugung

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