Aktuelle Forschungsarbeiten unter Federführung der TU Chemnitz helfen zu verstehen, warum langsame Ladungsträger die Effizienz organischer Solarzellen verringern. Forscherinnen und Forscher der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie (Leitung: Prof. Dr. Carsten Deibel) der Technischen Universität Chemnitz und weiterer Partnerinstitutionen arbeiten derzeit intensiv an Solarzellen aus neuartigen organischen Halbleitern, die mit etablierten Druckverfahren hergestellt werden können.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen gemeinsam und interdisziplinär daran, diese photovoltaischen Zellen aus organischen Halbleitern grundlegend zu verstehen, um sie weiter verbessern zu können. Dies geschieht im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“, deren Sprecher Prof. Deibel ist.
„Organische Solarzellen können sehr einfach und günstig mit Druckverfahren hergestellt werden“, sagt der Chemnitzer Physikprofessor. Im Gegensatz zu etablierten Solarmodulen aus kristallinem Silizium sei der Stromfluss in den organischen Solarzellen aber sehr langsam. „Durch die Herstellung der Solarzellen aus einer Art Tinte sind die organischen, lichtabsorbierenden Schichten sehr ungeordnet. Daher ist der Stromfluss sehr langsam“, erläutert Deibel. Eine Folge des langsamen Transports der durch Licht erzeugten Ladungsträger ist der sogenannte Transportwiderstand, der den Füllfaktor der Solarzellen und damit die Leistung verringert.
Transportwiderstand limitiert die Leistung von organischen Solarzellen
Um die Leistungscharakteristik von organischen Solarzellen besser zu verstehen, haben Deibel und seine Wissenschaftliche Mitarbeiterin Maria Saladina verschiedene Arten von organischen Solarzellen hergestellt, detailliert untersucht und den negativen Einfluss des Transportwiderstands aufgedeckt. Dabei wurden die Strom-Spannungskennlinien unter Beleuchtung, die sich aus dem Wechselspiel aus Ladungsgeneration aus Licht, der Rekombination dieser Ladungsträger und ihrem Transport zu den Elektroden ergeben, gemessen.
Diese enthalten die Informationen zur Leistungseffizienz der Solarzellen. Die Strom-Spannungskennlinien werden mit der sogenannten suns-Voc-Methode verglichen. Diese Methode erlaubt anhand der Messung der Leerlaufspannung unter verschiedenen Beleuchtungsintensitäten, eine alternative Strom-Spannungskurve zu konstruieren, die nicht durch Ladungstransportverluste wie den Transportwiderstand limitiert sind. „Der Transportwiderstand ist ein Resultat der langsamen Ladungsträger in den ungeordneten – aus organischer Tinte prozessierten – Solarzellen. So stehen sich die Ladungsträger selbst im Weg und führen zu einem Verlust von Füllfaktor und damit Leistung“, so Saladina.
Obwohl die Verbesserung organischer Solarzellen wegen dieser neuen Ergebnisse neu bewertet werden muss, gibt es kein grundsätzliches Hindernis, um hocheffiziente, gedruckte organische Solarzellen zu fertigen. In einem Perspektiv-Artikel, geschrieben von Chen Wang, Prof. Dr. Carsten Deibel und Maria Saladina zusammen mit renommierten Koautoren von verschiedenen deutschen Universitäten, werden der physikalische Ursprung des Transportwiderstands und die Bedeutung für Solarzellen genau erklärt.
„In den letzten Jahren ist der Ladungstransport immer weiter verbessert worden, ohne dass in der Forschergemeinde der genaue Zusammenhang zwischen Füllfaktorverlusten und Transportwiderstand genauer bekannt war“, sagt Deibel. Saladina ergänzt: „Neben der Rekombination wird auch der Transportwiderstand durch die Form der Zustandsdichte der organischen Solarzellen bestimmt. Das zeigt, dass wir Schritt für Schritt die physikalischen Grundlagen dieser photovoltaischen Bauelemente immer besser verstehen.“ Diese Ergebnisse sind im Rahmen der DFG-Forschergruppe POPULAR erzielt worden, die auch weiter an dem Verständnis und der Verbesserung von gedruckten organischen Solarzellen arbeitet.
Die mit rund fünf Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Forschergruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“ (FOR 5387) ist führend auf dem Gebiet der optoelektronischen Charakterisierung von organischen Solarzellen. Prof. Dr. Carsten Deibel, Inhaber der der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie der TU Chemnitz, ist Sprecher der DFG-Forschergruppe, an der 14 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrerer Universitäten in Deutschland und Großbritannien beteiligt sind. Gemeinsames Ziel ist es, organische Solarzellen mit massenproduktionstauglichen Druckverfahren herzustellen und mit komplementären Experimenten und Simulationen zu verstehen und zu verbessern.
