Sonniger Rekord: Durchbruch für die Hybrid-Solarzelle

Wissenschaftlern vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Universität Freiburg ist es gelungen, eine Behandlungsmethode für die Oberfläche von Nanopartikeln zu entwickeln, die die Effizienz von organischen Solarzellen erheblich steigert.

Durch den Einsatz sogenannter Quantum Dots aus Cadmium-Selenid konnten die Forscherinnen und Forscher die bisher höchste Effizienz von 2 Prozent in Hybrid-Solarzellen erzielen, die auch durch Messungen der am FMF angesiedelten Arbeitsgruppe „Farbstoff- und Organische Solarzellen“ des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme bestätigt wurde.

Bisherige Werte lagen bei 1-1,8 Prozent. Bei Hybrid-Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus einer Mischung aus anorganischen Nanopartikeln und einem (organischen) Polymer. Die entwickelte Methode ist prinzipiell auf viele Nanopartikel anwendbar und eröffnet weitere Perspektiven zur Effizienzsteigerung dieses Solarzellentyps. Das Verfahren wurde patentiert und die Ergebnisse wurden vor kurzem in einer Ausgabe der renommiertesten Fachzeitschrift für Angewandte Physik, den „Applied Physics Letters“, veröffentlicht.

Organische Solarzellen gehören zur sogenannten dritten Generation von Solarzellen und befinden sich noch im Forschungsstadium. Der Weltrekord für rein organische Solarzellen, bei denen beide Komponenten der photoaktiven Schicht aus organischen Materialien bestehen, liegt zur Zeit bei über 7 Prozent für nasschemisch erzeugte Schichten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen, die hauptsächlich für die großflächige Stromerzeugung eingesetzt werden, weisen sie viele Vorteile auf: Sie sind wesentlich dünner und flexibler. Der entscheidende Vorteil liegt in ihrer kostengünstigen und schnellen Herstellung. Daher eignen sie sich besser für die Integration in Anwendungen und Systeme unseres Alltags mit begrenzter Wirkungsdauer, wie zum Beispiel Sensoren oder elektronische Geräte, um diese energieautark zu betreiben. Der Einsatz von Batterien und Kabeln könnte somit in Zukunft drastisch reduziert werden.

In dem Forscherteam arbeiten Chemiker, Physiker und Ingenieure des IMTEK und des FMF eng zusammen. „Die interdisziplinäre Ausrichtung der Forschungsgruppe war ein absoluter Glücksfall und hat zu einem schnellen Fortschritt innerhalb des Projektes geführt. So konnten wir von der Synthese der Nanopartikel über die Modifikation ihrer Oberfläche bis hin zur Integration in Komposit-Materialien alles aus einer Hand leisten“, sagt Gruppenleiter Dr. Michael Krüger. Seine Arbeitsgruppe „Nanowissenschaften“ ist Teil des Lehrstuhls für Sensoren von Prof. Dr. Gerald Urban am IMTEK. Aufbauend auf den veröffentlichten Ergebnissen arbeitet sein Team – auch im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojekts – daran, die erprobte Methode auf andere vielversprechende Materialsysteme auszuweiten und so auf dem Weg zur Marktreife einen weiteren Schritt zu gehen. Voraussetzungen dafür sind jedoch deutlich bessere Wirkungsgrade als bisher, eine weitere Steigerung der Lebensdauer der Materialien sowie die Reduzierung der Herstellungskosten.

Das Projekt „Quantum Dot Polymer Hybride als photoaktives Material in Solarzellen“ wird innerhalb des IMTEK-Graduiertenkollegs „Micro Energy Harvesting“ durch die Deutsche Forschungsgesellschaft gefördert.

Kontakt:
Freiburger Materialforschungszentrum – FMF
Dr. Michael Krüger
Tel.: 0761/203-4755
E-Mail: michael.krueger@fmf.uni-freiburg.de
Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK
Katrin Grötzinger
Tel.: 0761/203-7252
E-Mail: katrin.groetzinger@imtek.uni-freiburg.de