Mehr Ausbeute dank Farb-Moleküle: So können organische Solarzellen deutlich effizienter werden

Solarenergie ist ein wichtiger Teil der Energiewende. Kein Wunder, ist sie doch quasi endlos verfügbar und dank neuer Solartechnik inzwischen auch relativ effizient zu gewinnen. Allerdings wirklich nur relativ. Denn noch immer geht in Solarzellen viel Energie verloren. Dies gilt vor allem auch für organische Solarzellen, bei deren die Effizienz eine der größeren Hürden für ihre praktische Nutzung ist. Forscher:innen der Technischen Universität München haben nun eine Möglichkeit gefunden, derartige Solarzellen effizienter zu gestalten. Ansatzpunkt ist die Verbesserung des Transports der im Material zwischengespeicherten Sonnenenergie. Bewerkstelligt wird dies mit organischen Farbstoffen.

Kalte Sonne — Foto: Cold Sun, Mark Vegas, Flickr, CC BY-SA 2.0

Effizientere organische Solarzellen

Solarzellen, die auf organischen Halbleitern basieren, sind leicht und hauchdünn – sie können somit als Beschichtung auf fast jeder Oberfläche angebracht werden. Damit eröffnen sich ganz neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa in Form von rollbaren Solarpaneelen oder als Energiequelle für Smart Devices. Allerdings haben sie auch Nachteile, unter anderem ein vergleichsweise schlechter Transport der gewonnenen Energie innerhalb des Materials.

Forscher:innen der Technischen Universität München beschäftigen sich mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Material, um diesen Transport zu verbessern. Dabei konzentrieren sie sich auf das Verhalten der sogenannten Exitonen. „Exzitonen sind so etwas wie der Kraftstoff der Sonne, den es optimal zu nutzen gilt. Trifft Lichtenergie als Photon auf das Material einer Solarzelle, wird es absorbiert und als angeregter Zustand zwischengespeichert. Diesen Zwischenzustand beschreibt man als Exziton„, erklärt Frank Ortmann, Professor für Theoretical Methods in Spectroscopy. Gelangen die Ladungen an eine speziell entworfene Grenzfläche, werden sie als elektrische Energie nutzbar. Die Forscher:innen konnten aufzeigen, dass unter Anwendung anorganischer Farbstoffe sogenannte Exitonen-Autobahnen für den Energietransport geschaffen werden können.

Exitone auf der Autobahn

Die Geschwindigkeit des Exitonen-Transport wiederum ist wichtig für die Effizienz der Zellen. „Je schneller und gezielter der Transport abläuft, desto besser ist die Energieausbeute – und damit die Effizienz der Solarzelle„, so Ortmann. Als Farbstoff-Moleküle kommen sogenannte chinoide Merocyanine zum Einsatz. Diese ermöglichen durch ihren chemischen Aufbau und ihre Fähigkeit, das sichtbare Licht gut zu absorbieren einen schnellen Transport.

Die Forscher:innen maßen die Geschwindigkeit der Exitonen durch die Farbstoffmoleküle mithilfe von spektroskopischen Messungen. „Mit Werten von 1,33 Elektronenvolt übertrifft unser Design die Werte in organischen Halbleitern bei weitem – die organischen Farbstoff-Moleküle bilden sozusagen eine Autobahn„, so Ortmann. Die Erkenntnisse des Teams könnten zu einem gezielten und effizienteren Exitontransport in organischen Feststoffen und so mittelbar zu leistungsfähigeren organischen Solarzellen führen.

via TUM