Effiziente organische Solarzellen in Aussicht

Forscher an der University of Toronto haben aufgezeigt, wie effiziente Solarzellen auf Basis von organischen Polymeren Realität werden könnten. „Eines der größten Hindernisse bei organischen Solarzellen ist, dass man kaum kontrollieren kann, was nach der Lichtabsorption passiert“, sagt Elisabetta Collini, Chemikerin in Toronto.

Sie hat gemeinsam mit ihrem Kollegen Greg Scholes einen Ansatz entwickelt, um den Energietransport bei sogenannten konjugierten Polymeren tatsächlich in effiziente Bahnen zu lenken. Das verspricht letztendlich eine höhere Energieausbeute bei organischen Solarzellen.

Konjugierte Polymere sind lange, organische Moleküle, die schon bislang als gute Kandidaten für die Verwirklichung effizienter organischer Solarzellen galten. Ein Problem ist, dass die Absorption von Licht an der Oberfläche einer Solarzelle nur ein erster Schritt auf dem Weg zur Stromerzeugung ist.

„Die Lichtanregung muss erst zu einer Trennschicht wandern, wo sie in nutzbare positive und negative Ladung umgewandelt wird“, beschreibt Wichard J. D. Beenken, Physiker an der TU Illmenau, auf Anfrage von pressetext. Wenn dieser Transport entlang der Polymerketten durch wiederholte Absorption und Reemission sprunghaft geschieht, ist das nicht wirklich effizient. Denn die Sprünge bedeuten einen Energieabfall und so sinkt die erzielbare Spannung, während die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Wiederabstrahlung steigt und sich negativ auf die Stromstärke auswirkt.

Die Wissenschaftler in Toronto haben bei ihrem Experiment einen anderen Transportmechanismus gezeigt. Eine sehr schneller Energietransport erfolgt „durch einen quantenmechanischen Mechanismus statt durch zufällige Sprünge“, beschreibt Scholes. Das funktioniere auch bei Raumtemperatur. „Das ist außergewöhnlich und wird zukünftige Forschungen wesentlich beeinflussen. Denn alle dachten, dass diese Art von Quanteneffekten nur in komplexen Systemen bei sehr geringen Temperaturen funktionieren“, meint der Wissenschaftler. Die Ausbreitung erfolgt dabei nur entlang einzelner Molekülketten, deren chemische Struktur Scholes als wesentlichen Faktor für den quantenkohärenten Energietransport sieht.

Sollten sich die Ergebnisse der Forscher aus Toronto für die Praxis umsetzen lassen, würde das nach Beenkens Ansicht große Vorteile gerade für Solarzellen bedeuten. „Das wäre ein kontinuierlicher Energiefluss entlang der Polymere“, kommentiert Beenken. Diese Variante ist schneller und verlustfreier als die sprunghafte Ausbreitung. Die Leistungseffizienz liegt insgesamt höher, da nicht energieverbrauchend absorbiert und reemittiert wird, und der schnellere Transport außerdem die Gefahr des zufälligen Wiederabstrahlens des einmal eingefangenen Lichts minimiert. „Dadurch fallen gleichzeitig Spannung und Strom höher aus“, sagt Beenken. Ob die technologische Umsetzung des kanadischen Ansatzes gelingt, bleibt aber vorerst abzuwarten. Dieser erfordert um wirksam zu sein ein völlig neues Design der organischen Solarzelle bezüglich der Anordnung der Polymerketten und der Trennschicht, so Beenken.