Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zu neuen Solarzellen: Selbstorganisation von Polymeren fördert die Ladungstrennung

27.10.2011
Lichtenergie in elektrischen Strom zu verwandeln ist die Funktion von Solarzellen, die damit eine zentrale Bedeutung für die Gewinnung und Nutzung erneuerbarer Energien haben.

Einem Forschungsteam der Universität Bayreuth, der LMU München und der TU München ist es jetzt gelungen, in organischen Makromolekülen erstmalig den Prozess der Stromerzeugung aus Licht von Anfang an zu beobachten und zu verstehen. Ein weltweit einzigartiger lasertechnischer Versuchsaufbau und die Verwendung von Silizium-basierten Strukturen machten diese Forschungserkenntnisse möglich.

Bei den Forschungsarbeiten kamen neuartige Solarzellen zum Einsatz, die aus einer organischen und einer anorganischen Komponente bestehen; genauer gesagt: aus Kunststoff und aus Silizium. Sie werden daher auch als Hybrid-Solarzellen bezeichnet. Das organische Material hat dabei die Aufgabe, möglichst viel Lichtenergie zu sammeln. Unter Einwirkung des Sonnenlichts werden Paare von positiver und negativer Ladung gebildet, die sich durch die Coulomb-Kraft gegenseitig anziehen. Diese Coulomb-Kraft muss aber überwunden werden, damit die Ladungen sich trennen. Denn nur so entsteht ein Stromfluss. Dabei sorgt die anorganische Komponente dafür, dass die negative Ladung der Elektronen aufgenommen und zur Elektrode abgeleitet wird, während die positive Ladung über die organische Komponente abfließt.

Schnelle Ladungstrennung infolge molekularer Selbstorganisation

Prof. Dr. Anna Köhler und Dipl.-Phys. Christina Scharsich an der Universität Bayreuth haben jetzt entdeckt, dass die Coulomb-Kraft besonders leicht überwunden werden kann, wenn das organische Material eine geordnete molekulare Struktur hat. Für ihre Untersuchungen verwendeten sie den Kunststoff P3HT, ein halbleitendes Polymer, das – abhängig von der jeweiligen Verarbeitungstechnik – entweder in einer ungeordneten, verknäulten Struktur oder in einer selbstorganisierten, geordneten Form vorliegt. "In zahlreichen Experimenten hier in Bayreuth haben wir herausgefunden, wie die P3HT-Polymere aus sich selbst heraus eine regelhafte Struktur anstreben", erklärt Christina Scharsich. "Diese molekulare Selbstorganisation können wir für die Stromerzeugung ausnutzen. Wir bearbeiten die P3HT-Polymere für die Solarzellen so, dass sie ihre Tendenz zur wohlgeordneten Selbstorganisation voll entfalten. Die unter Einwirkung von Lichtenergie erzeugten Paare von positiver und negativer Ladung haben dann viel Platz auf dem Polymer, so dass sie sich besonders leicht trennen. Die Effizienz der Ladungstrennung ist infolge der Selbstorganisation doppelt so hoch."

Präzise Analysen durch Silizium als Elektronenakzeptor

Eine wesentliche Rolle bei diesen Untersuchungen kommt dem Elektronen aufnehmenden Silizium zu. Bisher wurden in organischen Solarzellen meist kugelförmige Kohlenstoffmoleküle („Fullerene“) als Elektronenakzeptor verwendet. Die Fullerene erschweren jedoch die Forschungsarbeiten mit Laserlicht, da sich ihre Signale mit denen des Polymers überlagern. Dieses Problem kann durch die Verwendung von Silizium gelöst werden. Zudem eignet sich Silizium aufgrund seiner hoch geordneten Struktur besonders gut zur Aufnahme und Weiterleitung von Elektronen. Den Wissenschaftlern an der TU München um Prof. Dr. Martin Stutzmann ist es gelungen, Silizium so zu prozessieren, dass es gemeinsam mit Kunststoff zu einer effizienten Solarzelle verarbeitet werden kann. In seiner Rolle als Elektronenakzeptor unterstützt es dabei die Analysen der Umwandlung von Licht in Strom optimal. "Ohne das Silizium in dieser Funktion hätten unsere Untersuchungen nicht zu derartig klaren und präzisen Ergebnissen geführt", erläutert Prof. Dr. Anna Köhler.

Wie Strom aus Licht entsteht:
Neue Einsichten durch einen weltweit einzigartigen Versuchsaufbau
Mit dem weltweit einmaligen Versuchsaufbau der Forschungspartner an der LMU München um Prof. Dr. Eberhard Riedle konnten die Bayreuther und Münchner Wissenschaftler präzise beobachten, wie Lichtenergie in Strom verwandelt wird. Mit einer Auflösung von 40 Femtosekunden ließen sich alle Abschnitte dieser Transformation bildlich darstellen: zunächst die Anregung der Polymere durch Lichtenergie; dann die Bildung von Coulomb-gebundenen Paaren positiver und negativer Ladung; und schließlich deren Trennung. Eine Femtosekunde ist ein winziger Bruchteil einer Sekunde; z.B. legt Licht in dieser Zeit weniger als ein Millionstel Meter zurück. Mit dem lasertechnologischen Versuchsaufbau in den Münchner Laboratorien konnte gezeigt werden, welcher Prozess sich innerhalb der Solarzelle auf dieser Zeitskala abspielt. Die Forschungspartner in Bayreuth und München wollen diese hochleistungsfähige Apparatur auch in Zukunft einsetzen, um die Grundlagen- und Anwendungsforschung zur Solarenergie weiter voranzutreiben.

Veröffentlichung:

D. Herrmann, S. Niesar, C. Scharsich, A. Köhler, M. Stutzmann, E. Riedle,
The Role of Structural Order and Excess Energy on Ultrafast Free Charge Generation in Hybrid Polythiophene/Si Photovoltaics probed in Real Time by Near-Infrared Broadband Transient Absorption,
in: Journal of the American Chemical Society, 2011 Sept 26
DOI-Bookmark: http://dx.doi.org/10.1021/ja207887q
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Dr. Anna Köhler
Lehrstuhl Experimentalphysik II
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55 2600
Fax: +49 (0)921 55 2621
E-Mail: anna.koehler@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1021/ja207887q
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht SmartMeter analysieren mit Algorithmen den Stromverbrauch
01.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

nachricht Energiehybrid: Batterie trifft Superkondensator
01.12.2016 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie