Obwohl die Wirkungsgrade organischer Solarzellen inzwischen auf über 20 Prozent gestiegen sind, gibt es physikalische Grenzen, die eine weitere Leistungssteigerung dieser Art der Photovoltaik erschweren. Ein Forschungsteam der Linköping University in Schweden, der Universität Potsdam, des Paul-Drude-Instituts in Berlin und anderer Kooperationspartner konnte nun zeigen, welche physikalischen Prozesse eine zentrale Kenngröße für die Leistungsfähigkeit von organischen Solarzellen limitieren. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, langjährige Effizienzgrenzen organischer Solarzellen zu überwinden.

Den Wirkungsgrad von Solarzellen bestimmen im Wesentlichen drei Kenngrößen: Der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und der Füllfaktor, welche die Leistungsfähigkeit in einem Strom-Spannungs-Diagramm beschreiben. Alle drei Parameter müssen Forscher:innen optimieren, damit organische Solarzellen den etablierten Silizium-basierten Solarzellen-Technologien Konkurrenz machen können.

Jüngste Publikationen zeigen jedoch, dass eine Verbesserung der Leerlaufspannung gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Füllfaktors führt – und umgekehrt. Das Forschungsteam konnte nun eine Erklärung dafür finden. Es konnte zeigen, dass die Erzeugung freier elektrischer Ladungen in der aktiven Schicht der Solarzelle unter gewissen Bedingungen stark von dem elektrischen Feld im organischen Halbleitermaterial abhängt. „Dadurch entsteht eine bislang wenig verstandene Begrenzung des Füllfaktors, die besonders dann relevant wird, wenn Spannungsverluste minimiert werden sollen“, sagt Dieter Neher, Professor an der Universität Potsdam.

Simulationen der gesamten organischen Solarzelle

In organischen Solarzellen regt Licht bestimmte Zustände an, sogenannte Exzitonen. Ein Exziton besteht aus einem negativ geladenen Elektron, das an ein positiv-geladenes Loch auf demselben Molekül gebunden ist und sich daher nicht frei bewegen kann. Die Trennung dieser Elektronen-Loch-Paare in freie elektrische Ladungen wird über einen Ladungstransfer erreicht, den die Gruppen von Dieter Neher und Safa Shoaee, Professor am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, in den vergangenen Jahren intensiv erforscht haben. In der aktuellen Publikation haben sie die dabei entwickelten Konzepte in Simulationen der gesamten Solarzelle eingebettet. Dabei zeigte sich, dass die Lebensdauer der Exzitonen und die durch den Ladungstransfer freiwerdende Energie die wichtigsten Parameter sind, die den Füllfaktor bei kleinen Spannungsverlusten bestimmen.

„Die Konkurrenz zwischen Füllfaktor und Leerlaufspannung konnten wir auf wenige physikalische Größen zurückführen und simulieren, wie diese Begrenzung durch eine Vergrößerung der Exzitonen-Lebensdauer signifikant abgemildert werden kann“, sagt Neher. Experimentelle und theoretische Ergebnisse bestätigen, dass eine verlängerte Exzitonen-Lebensdauer ein entscheidender Schlüssel zur weiteren Effizienzsteigerung ist.

Zur Überprüfung des Ansatzes entwickelte das Team neue Materialkombinationen. Die daraus hergestellten organischen Solarzellen erreichten gleichzeitig hohe Füllfaktoren und eine hohe Gesamtleistung. Das Modell bietet allgemeine Leitlinien für die Materialentwicklung und die Optimierung von Solarzellenbauteilen. Es eröffnet damit neue Möglichkeiten, langjährige Effizienzgrenzen organischer Solarzellen zu überwinden und ihre Leistungsfähigkeit zu steigern.

Die wissenschaftliche Veröffentlichung der Forscher:innen über organische Solarzellen, die gleichzeitig hohe Füllfaktoren und eine hohe Gesamtleistung erreichen, ist unter diesem Link zu finden.

Quelle: Universität Potsdam | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH