Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Am Puls der Ladungstrennung – Effiziente organische Solarzellen durch Selbstorganisation

24.10.2011
Organische Solarzellen zur Erzeugung von Strom mit Hilfe von Licht gehören zu den umweltfreundlichen Zukunftstechnologien, auf die große Hoffnungen gesetzt werden: Sie können kostengünstig hergestellt werden und lassen sich - da sie biegsam wie Plastikfolien sind - flexibel verarbeiten. Allerdings liegt ihr Wirkungsgrad bisher noch weit unter demjenigen anorganischer Halbleiter.

Entscheidend für den Stromfluss ist die Erzeugung freier Ladungsträger: Als Initialschritt der Photokonversion gibt eine Komponente der organischen Solarzelle - meist ein Polymer - Elektronen ab, die von einer zweiten Komponente - dem Elektronenakzeptor, in diesem Fall Silizium-Nanopartikel - aufgenommen und weitergeleitet werden.

„Über die Mechanismen und den zeitlichen Ablauf der Ladungstrennung wird in der Wissenschaft seit Jahren kontrovers debattiert“, sagt Professor Eberhard Riedle, der mit seiner Gruppe in Kooperation mit Wissenschaftlern der TU München und der Universität Bayreuth diesen Prozess aufklären konnte.

Durch die Verwendung von Silizium als Elektronenakzeptor in dieser neuartigen hybriden organisch/anorganischen Solarzelle konnten die Forscher zeigen, wie eine spezielle Prozessierung der oft ungeordneten Polymere die Effizienz der Ladungstrennung in organischen Halbleitern wesentlich verbessert - bis hin zur Verdoppelung. Damit ist der Weg zu optimierten Zellen aufgezeigt. (J. Am.Chem. Soc. online, 21. September 2011)

Ein weltweit einmaliger, auf Lasersystemen basierender Versuchsaufbau ermöglichte den Wissenschaftlern, eine extrem hohe Zeitauflösung von 40 Femtosekunden mit einer spektral sehr breitbandigen Abfrage zu verbinden - so konnten die ultraschnellen photoinduzierten Prozesse in Echtzeit und „live“ untersucht werden. Anstelle der üblicherweise verwendeten Fullerene setzten die Wissenschaftler Silizium als Elektronenakzeptor ein - was sich sogar in zweifacher Hinsicht als vorteilhaft erwies: „Zum einen konnten wir durch diese neuartigen hybriden Solarzellen die physikalischen Prozesse im Polymer so klar wie nie zuvor studieren, zum anderen kann mit Silizium ein deutlich größerer Teil des Sonnenspektrums für die Stromproduktion verwendet werden“, sagt Riedle.

Dabei zeigte sich, dass freie Ladungsträger - sogenannte Polaronen - nicht sofort, sondern erst mit einer Verzögerung von etwa 140 Femtosekunden gebildet werden: Durch die primäre Photoanregung entsteht zunächst eine elektronische Anregung des Polymers - ein sogenanntes Exziton. Erst kurz danach wird ein Elektron vom Polymer-Molekül auf den Elektronenakzeptor übertragen. Dadurch entstehen in den Polymeren positiv geladene Fehlstellen oder „Löcher“, wobei sich Elektron und Loch durch die Coulomb-Kraft gegenseitig anziehen.

„Um freie Ladungsträger zu erhalten, müssen Elektron und Loch mobil genug sein, um die Coulomb-Kraft zu überwinden“, erklärt Daniel Herrmann, der Erstautor der Studie. Dabei konnten die Wissenschaftler erstmals nachweisen, dass dies in Polymeren mit regelmäßiger Struktur sehr viel leichter geschieht als in solchen, in denen das Chaos herrscht - eine hohe Selbstorganisation des Polymers steigert demnach die Effizienz deutlich.

„Das von uns verwendete Polymer ist eines der wenigen, über das eine Tendenz zur Selbstorganisation bekannt ist. Man kann diese Selbstorganisation unterdrücken, aber auch dem Polymer zur Seite stehen und seine intrinsische Selbstorganisation steigern, indem man die Prozessierungsparameter entsprechend geschickt wählt“, erklärt Herrmann. Mit ihrer geschickt optimierten Prozessierung des Polymers P3HT gelang es den Wissenschaftlern, die Ausbeute an freien Ladungsträgern zu verdoppeln - und damit auch die Effizienz der Solarzelle entscheidend zu steigern. (göd)

Publikation:
„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”;
D. Herrmann, S. Niesar, C. Scharsich, A. Köhler, M. Stutzmann, E. Riedle;
J. Am.Chem. Soc. online, 21. September 2011;
http://dx.doi.org/10.1021/ja207887q
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Eberhard Riedle
Lehrstuhl für BioMolekulare Optik
Tel.: 089 / 2180 - 9210
Fax: 089 / 2180 – 9202
E-Mail: riedle@physik.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Klein bestimmt über groß?
29.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

nachricht Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet
29.03.2017 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten