Am Puls der Ladungstrennung – Effiziente organische Solarzellen durch Selbstorganisation

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