Organische Solarzellen
"Hot Article 2018"
Auf dem Weg zu leistungsfähigeren organischen Solarzellen – Jetzt hilft die zeitaufgelöste Elektronenspinresonanz-Spektroskopie
Wissenschaftler der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und der TU Chemnitz haben eine neue Methode entwickelt mit Hilfe der zeitaufgelösten Elektronenspinresonanz-Spektroskopie schon im frühen Stadium der Herstellung organischer Solarzellen die Voraussetzungen für eine effiziente Stromgewinnung bestimmen zu können. Organische Solarzellen haben gegenüber den Silizium-Solarzellen wesentliche Vorteile: Sie sind kostengünstig, leicht zu verarbeiten und haben hohe Stromausbeuten. Sie sind teiltransparent und können in jeder beliebigen Form in kleinen Geräten aber auch großflächig eingesetzt werden. Man stellt sie her, indem man eine Mischung aus halbleitenden organischen Molekülen aus einer konzentrierten Lösung in dünnen Schichten abscheidet. Um die organischen Solarzellen kommerziell nutzen zu können, arbeitet die Wissenschaft intensiv daran, deren Wirkungsgrad auf über 10 Prozent zu steigern.
Das Team um Dr. Till Biskup am Lehrstuhl von Professor Stefan Weber an der Universität Freiburg hat Ende Januar 2018 seine Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Chemistry Chemical Physics“ der Royal Society of Chemistry vorgestellt. In ihrer Arbeit untersuchen die Wissenschaftler die Morphologie der organischen Dünnschicht-Solarzelle. Dies bezeichnet die mikroskopische Anordnung der Moleküle in Lösung oder in den Dünnschichten. Bisherige Methoden betrachten die Morphologie in den fertigen Schichten. Die mikroskopische Struktur in der konzentrierten Lösung vor der Abscheidung wirkt sich aber direkt auf die in den Schichten aus. So ist es von Vorteil, schon frühzeitig, also bei der Analyse der Lösung, zu verstehen, welche Bedingungen sich auf die Morphologie in den Dünnschichten und damit auf die Effizienz der Solarzelle auswirken.
Für diese Untersuchungen nutzen die Forscher des Instituts für Physikalischen Chemie der Universität Freiburg die zeitaufgelösten Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (TREPR). Die Einstrahlung von Licht führt zur Bildung von kurzlebigen angeregten Zuständen in den organischen Molekülen. Aus diesen entstehen innerhalb von Nanosekunden die Ladungsträger, die zur Stromgewinnung führen. Mit TREPR können die angeregten Zustände in Echtzeit beobachtet werden und man erhält charakteristische Spektren. Diese spiegeln die lokale Umgebung des jeweiligen angeregten Zustands wider und zeigen den Grad an Aggregation. Anders als bei der optischen Spektroskopie können mit TREPR auch Lösungen mit hoher Konzentration untersucht werden, wie man sie für die Herstellung von organischen Solarzellen verwendet.
Das Forscherteam untersuchte organische Polymere unterschiedlicher Länge in verschiedenen Lösungsmitteln mit TREPR. Je nach Lösungsmittel hatten die Polymere einen sehr unterschiedlichen Ordnungsgrad. Das Team konnte mit seinen Experimenten zeigen, dass eine höhere Aggregation der Moleküle in Lösung mit einer höheren Ordnung in der Dünnschicht einhergeht. Die höhere Ordnung der Polymere verbessert die Beweglichkeit der durch Licht erzeugten Ladungsträger und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle.
Originalveröffentlichung:
Deborah L. Meyer, Rukiya Matsidik, Sven Huettner, Michael Sommer, Till Biskup
Solvent-mediated aggregate formation of PNDIT2: decreasing the available conformational subspace by introducing locally highly ordered domains
Physical Chemistry Chemical Physics 20 (2018) 2716 −2723
http://dx.doi.org/10.1039/C7CP07725D
Diese Veröffentlichung wurde vom zuständigen Herausgeber und den Gutachtern zu den „Hot Articles 2018“ gewählt!
Hier finden Sie einen Übersichtsartikel zum Thema organische Solarzellen:
Naichia Yeh , Pulin Yeh
Organic solar cells: Their developments and potentials
Renewable and Sustainable Energy Reviews 21 (2013) 421–431
Kontakt:
Dr. Till Biskup
Magnetische Resonanz
Institut für Physikalische Chemie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-67801
E-Mail: till.biskup@physchem.uni-freiburg.de