Organische Solarzellen – Ladung trennen leicht gemacht

Organische Solarzellen können Sonnenenergie mit einer Ausbeute von aktuell rund neun Prozent in elektrische Energie umwandeln. Um diese Solarzellen wirtschaftlich zu nutzen, muss sich ihre Effizenz weiter erhöhen.

Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz neuartiger Materialien, sogenannter Low-Bandgap Polymere. Diese Verbindungen besitzen besonders kleine Bandlücken. Bei einer Bandlücke handelt es sich um die Lücke oder Stufe, die ein Elektron überwinden muss, um in einen angeregten Zustand zu gelangen.

Rotes Licht reicht aus

In Low-Bandgap Polymeren gelingt die Anregung auch durch Sonnenlicht mit wenig Energie, wie beispielsweise rotes Licht. Doch zu der kleinen Bandlücke muss ein weiterer Faktor hinzukommen, denn sie allein kann nicht die gesamte gemessene Effizienzsteigerung erklären.

Ein Forscherteam um den LMU-Professor Jochen Feldmann ist dem fehlenden Puzzleteil nun auf die Spur gekommen. Über die systematische Untersuchung diverser Low-Bandgap Polymere mit Hilfe von Ultrakurzzeit-Spektroskopie erlangten die Physiker entscheidende Erkenntnisse über deren Funktionsprinzip und konnten zeigen: Ihre chemische Struktur weist deutlich mehr sogenannte schwächer gebundene Ladungspaare auf als herkömmliche Polymere.

Schwache Bindung – schnelle Trennung

Werden Elektronen angeregt, springen sie auf ein höheres Energieniveau und lassen ein virtuelles Loch zurück. Diese Trennung des Ladungspaares in negative Ladung (Elektronen) und positive Ladung („Löcher“) ist die Voraussetzung, dass Strom fließen kann. In herkömmlichen Polymeren muss für diese Trennung ein großer Spannungsverlust in Kauf genommen werden. Dieser könnte in Zukunft mit Low-Bandgap Polymeren reduziert werden, denn aufgrund ihrer besonderen Struktur entsteht ein erheblich größerer Teil an leichter zu trennenden Ladungspaaren, sogenannten Polaronen-Paaren.

„Die Entstehung von Polaronen-Paaren liegt in herkömmlichen Polymeren lediglich im einstelligen Prozentbereich, wohingegen wir in manchen Low-Bandgap Polymeren bis zu 25 Prozent nachweisen konnten“, erklärt Raphael Tautz, Erstautor der Studie. „In unserer Arbeit haben wir erstmals gezeigt, dass ihre spezielle Struktur mit wechselnden Bausteinen entlang der Polymerkette einen sehr großen Einfluss auf die Art der erzeugten Ladungsträgerpaare hat. Dies könnte bei der weiteren Verbesserung solcher Materialien ganz neue Möglichkeiten ergeben“.
Die Studie ist entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und basiert auf der erfolgreichen Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Wuppertal, Mons (Belgien) und Freiburg.
(Nature Communications, 24. Juli 2012) NIM

Kontakt:
Professor Dr. Jochen Feldmann
Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik
Department für Physik und CeNS
Tel: +49-89-2180-3356 or -3357 (Secretary)
Fax: +49-89-2180-3441
E-Mail: feldmann@lmu.de
http://www.phog.physik.lmu.de/index.html

Publikation:
Structural correlations in the generation of polaron pairs in low-bandgap polymers for photovoltaics. R. Tautz, E. da Como, T. Limmer, J. Feldmann, H.-J. Egelhaaf, E. von Hauff, V. Lemaur, D. Beljonne, S. Yilmaz, I. Dumsch, S. Allard and U. Scherf.

Nature Communications 4: 24. Juli 2012.