Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenblick in die Kunststoff-Solarzelle

08.01.2016

Sie sind leicht, einfach zu installieren und können ohne großen Aufwand mit einem industriellen Drucker produziert werden: Solarzellen aus Kunststoff. Noch sind sie herkömmlichen Solarmodulen in der Effizienz unterlegen. Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, Vorgänge bei der Herstellung der organischen Solarzellen auf molekularer Ebene in Echtzeit zu beobachten. Die Ergebnisse, die im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht wurden, helfen dabei, die Leistung organischer Solarzellen zu verbessern.

Solarmodule, die auf den Dächern vieler Häuser zu sehen sind, bestehen größtenteils aus dem Halbleiter Silizium. Sie sind schwer, ihre Befestigung auf Dächern daher aufwändig. Auch fügen sie sich oft nicht harmonisch in die Umgebung ein.


Stephan Pröller (li.) und Dr. Eva M. Herzig untersuchen Kunststoff-Solarzellen.

Uli Benz / TUM

Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen sind die sogenannten organischen Solarzellen, die aus Kunststoff bestehen. Diese können einfach als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt werden. Die Installation dieses Films an verschiedenen Orten ist unkompliziert. Außerdem ist es auch möglich, die Farbe und Form der Solarzellen zu verändern. Allerdings gibt es einen Nachteil: Noch reicht die Effizienz der organischen Photovoltaik nicht an die Silizium-Solarzellen heran.

Prozesse auf Nanoebene

Eine Stellschraube, um mithilfe der flexiblen Solarzellen mehr Energie aus der Sonne zu gewinnen, ist die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials. Diese ist wichtig für die Energieumwandlung. Denn wie bei der "klassischen" Solarzelle müssen freie Elektronen erzeugt werden. Dazu benötigen Kunststoffsolarzellen zwei Materialtypen: Einen, der Elektronen abgibt (Elektronendonator), und einen, der sie wieder aufnimmt (Elektronenakzeptor).

Diese Materialien müssen eine möglichst große Grenzfläche zueinander aufweisen, um Licht in Strom umzuwandeln. Wie genau sich die Moleküle beim Drucken der Solarzellen zueinander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungsvorgangs wachsen, ist nicht bekannt.

"Um die Anordnung der Bausteine gezielt beeinflussen zu können, müssen wir verstehen, was auf molekularer Ebene passiert", erklärt Dr. Eva M. Herzig von der Munich School of Engineering (MSE) der TUM. Solche kleinen Strukturen innerhalb eines trocknenden Films zeitaufgelöst zu messen ist eine experimentelle Herausforderung.

Je langsamer, desto effizienter

Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, Röntgenstrahlung, um die Moleküle und deren Prozesse während des Druckens eines Kunststoff-Films sichtbar zu machen. Dabei identifizierte er verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen.

Anfangs verdampft das Lösungsmittel, wodurch sich die Konzentration der Kunststoffmoleküle im noch feuchten Film stetig erhöht. Ab einer gewissen Konzentration beginnt das Material, das als Elektronendonator fungiert, zu kristallisieren; die Moleküle des Elektronenakzeptors bilden Aggregate. Die Elektronendonator-Kristalle vergrößern sich schnell, was dazu führt, dass sich auch die Elektronenakzeptor-Aggregate weiter zusammenschieben. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenzflächen zwischen den beiden Materialien fest. Diese sind entscheidend für die Effizienz. Um die Solarzellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozessschritt angesetzt werden.

In der letzten Phase finden noch Optimierungsprozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungsdichte in den Kristallen.

"Die Geschwindigkeit der Herstellung spielt eine wichtige Rolle", erklärt Pröller. Bei schnelleren Trocknungsvorgängen bleibt der Ablauf zwar gleich. Allerdings beeinflussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Strukturbildung. Eine langsamere Strukturbildung wirkt sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus.

Die Forscher wollen nun die gewonnenen Kenntnisse der Abläufe nutzen, um gezielt mit weiteren Parametern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Diese Ergebnisse können dann in die industrielle Herstellung übertragen und diese damit optimiert werden.

Publikation:
Organic Solar Cells: Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells, Pröller et al., Advanced Energy Materials, Volume 6, Issue 1, January 2016.
DOI: 10.1002/aenm.201501580

Kontakt:
Dr. Eva M. Herzig
Technische Universität München
Munich School of Engineering
Tel: +49-(0)89-289-13831
eva.herzig@ph.tum.de
www.opv.mse.tum.de

Weitere Informationen:

https://mediatum.ub.tum.de/?id=1289526#1289526 Bilder zum Download
http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201501580/full Link zum Paper

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Plastik aus Holz - Röntgenuntersuchung weist Weg zu maßgeschneiderten Bauteilen auf Lignin-Basis
27.02.2020 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten
19.02.2020 | Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wiegende Halme auf der Handwerksmesse München

Talente-Sonderschau: Architekturstudenten der HTWK Leipzig zeigen filigrane Skulptur aus Strohhalmen – dahinter steckt eine Konstruktionsidee für organisch gekrümmte Fassaden

Swaying Straws (Wiegende Halme) heißt die Skulptur, die die zwei Architekturstudenten Fabian Eidner und Theodor Reinhardt von der Hochschule für Technik,...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Asteroid in eiserner Rüstung

28.02.2020 | Geowissenschaften

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

UV-Licht gegen störenden Unterwasserbewuchs – Innovatives Antifouling-System des IOW jetzt reif für Serienproduktion

28.02.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics