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Nov 18, 2023

Studie zeigt, warum organische Solarzellen so schnell abbauen

Wissenschaftler der Universität Cambridge haben nun einen wichtigen Grund dafür aufgedeckt

Wissenschaftler der Universität Cambridge haben nun einen wichtigen Grund dafür aufgedeckt, warum organische Solarzellen im Außenbetrieb schnell abbauen. Organische Solarzellen sind vielversprechend für saubere Energieanwendungen. Allerdings behalten Photovoltaikmodule aus organischen Halbleitern ihre Effizienz unter Sonnenlicht nicht lange genug für reale Anwendungen.

Das Berichtspapier wurde in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.

Die neuen Erkenntnisse werden die Entwicklung stabilerer Materialien für die Photovoltaik auf Basis organischer Halbleiter vorantreiben und so eine kostengünstige und erneuerbare Stromerzeugung ermöglichen.

Aufgrund der jüngsten Effizienzsteigerungen, mit denen Solarzellen aus organischen (kohlenstoffbasierten) Halbleitern Sonnenlicht in Strom umwandeln können, wird die Verbesserung der Langzeitstabilität dieser Photovoltaikgeräte immer wichtiger.

Bei realen Anwendungen der Technologie muss die Effizienz der Photovoltaikanlage über viele Jahre erhalten bleiben. Um dieses Schlüsselproblem anzugehen, haben Forscher die Abbaumechanismen der beiden Komponenten untersucht, die in der lichtabsorbierenden Schicht organischer Solarzellen verwendet werden: die „Elektronendonor“- und „Elektronenakzeptor“-Materialien. Diese beiden Komponenten werden benötigt, um das nach der Absorption eines Photons gebildete gebundene Elektron-Loch-Paar in die freien Elektronen und Löcher aufzuspalten, die den elektrischen Strom bilden.

Das Bild zeigt den Verlauf der Ereignisse, wenn eine organische Solarzelle durch die Einwirkung der Strahlung abgebaut wird. Die Recherche zeigt, welches Problem das Team entdeckt hat und wie das Design verbessert werden kann. Bildquelle: Universität Cambridge. Für weitere Informationen klicken Sie auf den in Joule veröffentlichten Forschungsbericht. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung ist die Arbeit frei zugänglich, ohne Paywall.

In dieser neuen Studie hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Cavendish Laboratory der Universität Cambridge erstmals die Abbauwege sowohl der Elektronendonor- als auch der Elektronenakzeptormaterialien untersucht. Die detaillierte Untersuchung des Elektronendonormaterials hebt die aktuelle Forschungsarbeit von den bisherigen Studien ab und liefert wichtige neue Erkenntnisse für das Fachgebiet.

Insbesondere wurde die Identifizierung eines ultraschnellen Deaktivierungsprozesses, der für das Elektronendonormaterial einzigartig ist, bisher noch nicht beobachtet und bietet einen neuen Blickwinkel für die Betrachtung der Materialdegradation in organischen Solarzellen.

Um zu verstehen, wie diese Materialien abgebaut werden, arbeiteten die Cavendish-Forscher in einem internationalen Team mit Wissenschaftlern aus Großbritannien, Belgien und Italien zusammen. Gemeinsam kombinierten sie Stabilitätsstudien von Photovoltaikgeräten, bei denen die betriebsbereite Solarzelle intensivem Licht ausgesetzt ist, das dem Sonnenlicht sehr ähnlich ist, mit ultraschneller Laserspektroskopie, die in Cambridge durchgeführt wurde.

Mithilfe dieser Lasertechnik konnten sie einen neuen Abbaumechanismus im Elektronendonormaterial identifizieren, der eine Verdrehung der Polymerkette beinhaltet. Wenn das verdrillte Polymer ein Photon absorbiert, durchläuft es daher einen extrem schnellen Deaktivierungspfad im Femtosekunden-Zeitraum (ein Millionstel Milliardstel Sekunde). Dieser unerwünschte Prozess ist schnell genug, um die Erzeugung freier Elektronen und Löcher aus einem Photon zu übertreffen, was die Wissenschaftler mit der verringerten Effizienz der organischen Solarzelle nach der Einwirkung von simuliertem Sonnenlicht in Zusammenhang bringen konnten.

Dr. Alex Gillett, der Hauptautor des Papiers, bemerkte: „Es war interessant herauszufinden, dass etwas so scheinbar Kleines wie die Verdrehung einer Polymerkette einen so großen Einfluss auf die Effizienz der Solarzelle haben kann. Das planen wir für die Zukunft.“ Bauen Sie auf unseren Erkenntnissen auf, indem Sie mit Chemiegruppen zusammenarbeiten, um neue Elektronendonormaterialien mit steiferen Polymerrückgraten zu entwickeln. Wir hoffen, dass dies die Neigung des Polymers zur Verdrehung verringert und so die Stabilität der organischen Solarzellenvorrichtung verbessert.“

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften können organische Solarzellen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, für die herkömmliche Silizium-Photovoltaik nicht geeignet ist. Dazu könnten stromerzeugende Fenster für Gewächshäuser gehören, die die für die Photosynthese erforderlichen Lichtfarben übertragen, oder sogar Photovoltaikanlagen, die für den einfachen Transport und die mobile Stromerzeugung aufgerollt werden könnten. Durch die Identifizierung des zu lösenden Degradationsmechanismus bringt die aktuelle Forschung die nächste Generation von Photovoltaikmaterialien und -anwendungen direkt näher an die Realität heran.

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Organisches Solar hat viel mehr Potenzial als im letzten Absatz erwähnt. Und das Problem der Langlebigkeit besteht schon seit Jahren. Man hofft, dass dies eine enorme Verbesserung ist, und das könnte auch der Fall sein, aber organische Stoffe haben es schwer, bei direkter Sonneneinstrahlung stabil zu bleiben, daher könnte dies die erste Lösung von vielen sein, die es auf dem Markt geben könnte.

Doch diese Arbeit zeigt, dass das Interesse an der Forschung Antworten findet. Wenn man bedenkt, dass organische Zellen ein so breites Spektrum an Möglichkeiten zu geringeren Kosten bieten, gibt es allen Grund zu der Annahme, dass der Fortschritt anhalten wird.

Hoffen wir, dass die Arbeit dieses Teams einen „großen Sprung“ nach vorne macht und dass die Glückwünsche mit großer Hoffnung auf weitere Fortschritte gesendet werden.

Von Brian Westenhaus über New Energy and Fuel

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