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Aufrechte Moleküle erhöhen die Effizienz organischer Solarzellen
Eine hauchdünne Beschichtung kann die Leistung organischer Solarzellen deutlich verbessern, wenn ihre Moleküle bevorzugt senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind. Ein zweistufiges Verfahren richtet die Moleküle gezielt aus und erleichtert dadurch den Transport elektrischer Ladungen. Im Labor erreichte eine so gefertigte Zelle einen unabhängig bestätigten Wirkungsgrad von 20,65 Prozent.
Peking (China). Organische Solarzellen bestehen aus lichtaktiven Kohlenstoffverbindungen und lassen sich potenziell dünn, biegsam und mit vergleichsweise einfachen Beschichtungsverfahren herstellen. Beim Wirkungsgrad und bei der Haltbarkeit können sie aber häufig noch nicht mit herkömmlichen Siliziumzellen mithalten.
Eine kritische Stelle ist der Übergang zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und der Metallelektrode, die Elektronen abführt. Eine wenige Nanometer dünne Zwischenschicht soll den Stromfluss erleichtern, doch ihre Wirkung hängt nicht nur von der chemischen Zusammensetzung ab. Auch die räumliche Ausrichtung ihrer Moleküle bestimmt, wie effizient elektrische Ladungen die Grenzfläche überwinden.
Forscher des Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS) um Zhen Zhang haben gemeinsam mit Kollegen eine Methode entwickelt, die genau diese Molekülorientierung beeinflusst. Die Gruppe untersuchte organische Solarzellen mit einer dünnen, kathodenseitigen Zwischenschicht aus Perylen-Diimid-Verbindungen, deren Moleküle sowohl wasseranziehende als auch wasserabweisende Bereiche besitzen.
Zunächst behandelten sie die lichtaktive Schicht mit Methanol. Anschließend trugen sie die eigentliche Zwischenschicht auf, indem sie deren Moleküle in Trifluorethanol lösten und die Lösung auf der rotierenden Oberfläche verteilten. Das adsorbierte Methanol erleichtert den Kontakt zwischen beiden Schichten und wirkt nach dem vorgeschlagenen Modell zugleich als molekulare Schablone.
Spektroskopische Messungen und Molekulardynamik-Simulationen stützen die Deutung, dass sich die Moleküle dadurch eher aufrichten, statt ungeordnet auf der Oberfläche zu liegen. Das ist bedeutsam, weil ihre polaren Seitenketten die elektrische Umgebung der Grenzfläche verändern.
Die aufgerichteten Moleküle verstärken laut den Messungen das elektrische Potenzial an der Grenzfläche und erleichtern so die Aufnahme der Elektronen durch die Metallelektrode. Zugleich sinkt der elektrische Widerstand, wodurch weniger Ladungsträger verloren gehen und die Zelle einen größeren Anteil der eingestrahlten Lichtenergie als Strom abgeben kann.
In einer Versuchsreihe mit der Materialkombination PM6:BTP-eC9 stieg der Wirkungsgrad durch die Methanol-Vorbehandlung bei gleicher Zwischenschicht von 14,98 auf 18,25 Prozent. Bei einer weiteren Kombination aus D18 und L8-BO erreichte eine kleine Laborzelle 20,72 Prozent, während eine unabhängige Messung 20,65 Prozent bestätigte. Der zugehörige Füllfaktor, ein Maß für die nutzbare elektrische Leistung, lag bei 82,7 Prozent.
Die unabhängige Bestätigung betrifft ein besonders kleines Bauelement, dessen Messfläche 0,0256 Quadratzentimeter betrug. Sie belegt damit nicht, dass sich derselbe Wirkungsgrad bereits auf großflächigen Solarmodulen erreichen lässt.
Bei einer Testzelle mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter lag der Wirkungsgrad noch bei 19,20 Prozent. Das Verfahren steigerte die Leistung auch mit weiteren untersuchten Lichtabsorbern und Zwischenschicht-Materialien, wobei diese Kombinationen nicht alle den höchsten Wert erreichten.