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Organische Photovoltaik: Röntgenblick erklärt Verschleiß von Plastik-Solarzellen

Die innere Struktur der aktiven Schicht der untersuchten Solarzelle ohne Lösungsmittel (links), mit Lösungsmittel (Mitte) und nach Lösungsmittelverlust im Betrieb (rechts)
Die innere Struktur der aktiven Schicht der untersuchten Solarzelle ohne Lösungsmittel (links), mit Lösungsmittel (Mitte) und nach Lösungsmittelverlust im Betrieb (rechts)

Mit dem scharfen Röntgenblick von PETRA III, einer Forschungslichtquelle des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, haben Wissenschaftler der Technischen Universität München den Verschleiß von Plastik-Solarzellen beobachtet. Die Untersuchung liefert einen Ansatz für eine verbesserte Herstellung, um die Langzeitstabilität solcher organischen Solarzellen zu erhöhen.

Das Team um Prof. Peter Müller-Buschbaum präsentiert seine Beobachtungen in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Advanced Energy Materials“ (Bd. 6, Nr. 19).

 

Organische Solarzellen haben eine kürzere Lebensdauer als siliziumbasierte

In organischen Solarzellen wird Strom in einer aktiven Mischschicht aus zwei kohlenstoffbasierten Materialien erzeugt. Ist eines davon ein Polymer, heißen sie Plastiksolarzellen. Ihre Herstellung ist sehr kostengünstig und einfach. Auf diese Weise lassen sich extrem leichte, biegsame und sogar halbtransparente Solarzellen über Druckverfahren auf flexiblen Kunststoffmaterialien erzeugen und neue Anwendungsgebiete erschließen.

Organische Solarzellen sind in der Regel allerdings weniger effizient als siliziumbasierte, und sie haben bisweilen eine kürzere Lebensdauer.

 

Herstellung von modernen Plastiksolarzellen häufig mit umstrittenem Zusatz

Die innere Struktur der aktiven Schicht ist für organische Solarzellen von zentraler Bedeutung. Bei der Herstellung müssen sich die beiden Materialien der aktiven Schicht aus einer gemeinsamen Lösung entmischen. „Es ist dabei wichtig, dass sich Plastikdomänen mit einer Größe von wenigen zehn Nanometern formen“, erklärt der Doktorand und Hauptautor der Studie, Christoph Schaffer. „Nur so können in der aktiven Schicht effizient positive und negative Ladungsträger erzeugt und auch voneinander getrennt werden.“

In modernen Plastiksolarzellen werden häufig „Low-bandgap-Polymere“ verwendet, die besonders viel Licht absorbieren. Sie benötigen oft während der Herstellung einen Lösungsmittelzusatz, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Dieser Zusatz ist jedoch umstritten, weil er die Lebensdauer der Solarzellen weiter senken könnte.

 

Röntgenlichtquelle ermöglicht Blick auf den Verschleiß

Mit DESYs Röntgenlichtquelle haben die Wissenschaftler den Verschleiß von Low-bandgap-Plastiksolarzellen mit Lösungsmittelzusatz näher untersucht. Mit einem scharf fokussierten Röntgenstrahl machten sie sich ein Bild von der inneren Struktur der aktiven Schicht. „Mit diesen Messungen lassen sich Struktur und Leistungsdaten der Solarzelle verknüpfen und im Verlauf der Zeit verfolgen“, erläutert Ko-Autor Prof. Stephan Roth.

„Die Daten zeigen, dass Domänen auf der Längenskala von wenigen zehn Nanometern während des Betriebs stark schrumpfen und ihre geometrischen Grenzen zu der anderen Komponente verschwinden“, sagt Schaffer. Gleichzeitig liefern die Messungen Hinweise darauf, dass der Restgehalt an Lösungsmittelzusatz sinkt. Auf diese Beobachtungen führen die Wissenschaftler den gemessenen Effizienzverlust der Solarzelle zurück.

 

Untersuchung knüpft an frühere Studie an

Die Münchner Forscher hatten in einer vorangegangenen Studie bereits den Verschleiß eines anderen Typs von Polymer-Solarzellen beobachtet. Hier zeigte sich, dass die Effizienz dadurch sank, dass die aktiven Zentren im Laufe des Betriebs wuchsen. Das legte nahe, solche Solarzellen mit einer etwas zu feinen Struktur herzustellen, die in den ersten Betriebsstunden dann zur optimalen Größe heranwächst.

An diese Arbeit knüpft die neue Untersuchung an. „In unserer ersten Studie konnten wir sehen, dass die Effizienz durch eine Vergröberung der Struktur sinkt“, berichtet Schaffer. „In der aktuellen Studie passiert genau das Gegenteil. Dieses Verhalten entspricht ganz unseren Erwartungen, weil die Zusammensetzung der aktiven Schicht anders ist. Die Materialien in der ersten Studie tendieren dazu, stark zu entmischen. Hier ist nun das Gegenteil der Fall, und man braucht den Lösungsmittelzusatz, um die benötigte Entmischung der Materialien für hohe Effizienzen zu erzeugen. Verschwindet im Betrieb der Lösungsmittelzusatz, verfeinert sich die Struktur wieder und entfernt sich damit von ihrem Optimum.“

 

Wichtige Ansätze zur Optimierung der Produktion organischer Solarzellen

Beide Untersuchungen liefern wichtige Ansätze für eine gezielte Optimierung der Produktion organischer Solarzellen. „Das Zusammenspiel der beiden Studien ist ein sehr schönes Beispiel dafür, wie Messungen mit Synchrotron-Strahlung auf der atomaren Skala wichtige Erkenntnisse für die Forschung gerade in anwendungsnahen Gebieten wie dem der erneuerbaren Energien liefern können“, sagt Roth.

 

18.10.2016 | Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY | solarserver.de © Heindl Server GmbH

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