Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Mischung macht's: Magnetische Nanopartikel steigern Leistung von Solarzellen

25.02.2015

Magnetische Nanopartikel können die Leistung von Kunststoff-Solarzellen steigern – sofern die Mischung stimmt. Das zeigt eine Röntgenuntersuchung an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III. Eine Beimischung der Nanopartikel von etwa einem Gewichtsprozent macht die Solarzellen effizienter, wie Forscher um Prof. Peter Müller-Buschbaum von der Technischen Universität München beobachtet haben. Sie stellen ihre Studie in einer der kommenden Ausgaben des Fachblatts „Advanced Energy Materials“ vor (online vorab veröffentlicht).

Sogenannte organische Solarzellen auf Kunststoffbasis besitzen großes Potenzial: Sie sind kostengünstig, flexibel und vielseitig einsetzbar. Ihr Nachteil gegenüber den etablierten Silizium-Solarzellen ist ihre geringere Stromausbeute.


Leichte, flexible und halbtransparente organische Solarzellen (hier auf einem Glasträger für Forschungszwecke) werden aus Lösung und bei Raumtemperatur hergestellt.

Bild: TU München


Kristalline Strukturen innerhalb einer organischen Solarzelle führen zu charakteristischen Streubildern in den Synchrotronstrahlungsexperimenten.

Bild: TU München

Typischerweise setzen sie nur wenige Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität um. Dennoch sind organische Solarzellen bereits an vielen Stellen wirtschaftlich, und Forscher suchen nach neuen Wegen, die Energieausbeute zu erhöhen.

Ein vielversprechender Weg ist die Beimischung von Nanopartikeln. So ließ sich zeigen, dass Gold-Nanopartikel zusätzliches Sonnenlicht absorbieren, das in der Solarzelle zusätzliche elektrische Ladungsträger erzeugt, wenn es von den Goldpartikeln wieder abgegeben wird.

Das Team um Müller-Buschbaum verfolgte einen anderen Ansatz. „Das Licht erzeugt in der Solarzelle jeweils ein Paar von Ladungsträgern, das aus einem negativ geladenen Elektron und einer Fehlstelle, einem sogenannten Loch, mit positiver Ladung besteht“, erläutert der Hauptautor der aktuellen Studie, Daniel Moseguí González aus der Gruppe von Müller-Buschbaum.

„Die Kunst einer organischen Solarzelle ist, diese Elektron-Loch-Paare zu trennen, bevor sie sich wieder vereinen können. Denn dann wäre die zuvor erzeugte Ladung wieder verloren. Wir haben einen Weg gesucht, die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare zu verlängern, so dass mehr von ihnen getrennt und zu unterschiedlichen Elektroden geführt werden können.“

Bei dieser Taktik kommt die Quantenphysik ins Spiel: Sie besagt, dass Elementarteilchen wie das Elektron eine Art Eigendrehung besitzen, den sogenannten Spin. Dieser Spin hat nach den Regeln der Quantenphysik den Wert 1/2. Auch das positiv geladene Loch hat einen Spin von 1/2. Diese beiden Spins können sich entweder addieren, wenn sie gleich gerichtet sind, oder subtrahieren, wenn sie entgegengesetzt gerichtet sind. Das Elektron-Loch-Paar kann also einen Gesamtspin von 0 oder 1 besitzen. Paare mit einem Spin von 1 existieren länger als solche mit einem Gesamtspin 0.

Die Forscher suchten nun ein Material, das in der Lage ist, den Spin-0-Zustand in einen Spin-1-Zustand umzuwandeln. Dazu sind Nanopartikel aus schweren Elementen nötig, durch die der Spin eines Elektrons oder eines Lochs umgeklappt wird, so dass beide Spins des Paars gleich gerichtet sind. Tatsächlich kann Magnetit (Fe3O4) dies leisten. „Die Beimischung von Magnetit-Nanopartikeln erhöhte den Wirkungsgrad der Solarzellen in unserem Versuch um bis zu 11 Prozent“, berichtet Moseguí González. Die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare wird signifikant erhöht.

Die Beimischung von Nanopartikeln ist dabei eine Routinetechnik, die sich in den verschiedenen Produktionsverfahren von organischen Solarzellen problemlos anwenden lässt. Wichtig ist jedoch, dass nicht zu viele Nanopartikel in die Solarzelle gemischt werden. Denn organische Solarzellen besitzen eine sorgfältig abgestimmte innere Struktur, bei der die lichtsammelnden aktiven Materialien mit optimalen Längenskalen gemischt sind, um die Ladungsträger-Paare möglichst effizient zu trennen. Diese Strukturen liegen im Bereich von 10 bis 100 Nanometern.

„Werden sehr viele Nanopartikel in das Material der Solarzelle gemischt, verändert sich die Struktur des Materials, wie die Röntgenuntersuchung gezeigt hat“, erläutert Ko-Autor Dr. Stephan Roth, Leiter der DESY-Messstation P03 an PETRA III, an der die Versuche stattfanden. „Die untersuchte Solarzelle kann eine Dotierung mit Magnetit-Nanopartikeln von bis zu einem Gewichtsprozent verkraften, ohne dass sich die Struktur ändert.“

Den größten Effekt beobachteten die Wissenschaftler bei einer Dotierung mit 0,6 Gewichtsprozent Nanopartikeln. Die Effizienz der untersuchten Kunststoffsolarzelle stieg dabei von 3,05 Prozent auf 3,37 Prozent. „11 Prozent zusätzliche Energieausbeute können durchaus über die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung entscheiden“, betont Forschungsleiter Müller-Buschbaum.

Die Forscher erwarten, dass sich auch die Leistung anderer Kunststoff-Solarzellen durch die Dotierung mit Nanopartikeln weiter steigern lässt. „Die Kombination von leistungsfähigen Polymeren mit Nanopartikeln lässt also für die Zukunft noch weitere Steigerungen der Effizienzen von organischen Solarzellen erwarten. Ohne eine detaillierte Untersuchung, wie zum Beispiel mit Röntgenstrahlung eines Synchrotrons, ist ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse aber nicht zu erlangen“, summiert Müller-Buschbaum.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.


Originalveröffentlichung:
„Improved Power Conversion Efficiency of P3HT:PCBM Organic Solar Cells by Strong Spin–Orbit Coupling-Induced Delayed Fluorescence“; Daniel Moseguí González, Volker Körstgens, Yuan Yao, Lin Song, Gonzalo Santoro, Stephan V. Roth und Peter Müller-Buschbaum; „Advanced Energy Materials“, 2015; DOI: 10.1002/aenm.201401770

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=731&... - Pressemitteilung im Web
http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201401770 - Originalstudie (Online-Vorabveröffentlichung)

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie