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 Neues Material mit magnetischem Formgedächtnis
04.06.2019 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Weltraumschrott verringern: HZG-Wissenschaftler helfen beim Sauberhalten
30.05.2019 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: MPSD-Team entdeckt lichtinduzierte Ferroelektrizität in Strontiumtitanat

Mit Licht lassen sich Materialeigenschaften nicht nur messen, sondern auch verändern. Besonders interessant sind dabei Fälle, in denen eine fundamentale Eigenschaft eines Materials verändert werden kann, wie z.B. die Fähigkeit, Strom zu leiten oder Informationen in einem magnetischen Zustand zu speichern. Ein Team um Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, hat nun Lichtimpulse aus dem Terahertz-Frequenzspektrum benutzt, um ein nicht-ferroelektrisches Material in ein ferroelektrisches umzuwandeln.

Ferroelektrizität ist ein Zustand, in dem die Atome im Kristallgitter eine bestimmte Richtung "aufzeigen" und dadurch eine makroskopische elektrische...

Im Focus: MPSD team discovers light-induced ferroelectricity in strontium titanate

Light can be used not only to measure materials’ properties, but also to change them. Especially interesting are those cases in which the function of a material can be modified, such as its ability to conduct electricity or to store information in its magnetic state. A team led by Andrea Cavalleri from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg used terahertz frequency light pulses to transform a non-ferroelectric material into a ferroelectric one.

Ferroelectricity is a state in which the constituent lattice “looks” in one specific direction, forming a macroscopic electrical polarisation. The ability to...

Im Focus: Konzert der magnetischen Momente

Forscher aus Deutschland, den Niederlanden und Südkorea haben in einer internationalen Zusammenarbeit einen neuartigen Weg entdeckt, wie die Elektronenspins in einem Material miteinander agieren. In ihrer Publikation in der Fachzeitschrift Nature Materials berichten die Forscher über eine bisher unbekannte, chirale Kopplung, die über vergleichsweise lange Distanzen aktiv ist. Damit können sich die Spins in zwei unterschiedlichen magnetischen Lagen, die durch nicht-magnetische Materialien voneinander getrennt sind, gegenseitig beeinflussen, selbst wenn sie nicht unmittelbar benachbart sind.

Magnetische Festkörper sind die Grundlage der modernen Informationstechnologie. Beispielsweise sind diese Materialien allgegenwärtig in Speichermedien wie...

Im Focus: Schwerefeldbestimmung der Erde so genau wie noch nie

Forschende der TU Graz berechneten aus 1,16 Milliarden Satellitendaten das bislang genaueste Schwerefeldmodell der Erde. Es liefert wertvolles Wissen für die Klimaforschung.

Die Erdanziehungskraft schwankt von Ort zu Ort. Dieses Phänomen nutzen Geodäsie-Fachleute, um geodynamische und klimatologische Prozesse zu beobachten....

Im Focus: Determining the Earth’s gravity field more accurately than ever before

Researchers at TU Graz calculate the most accurate gravity field determination of the Earth using 1.16 billion satellite measurements. This yields valuable knowledge for climate research.

The Earth’s gravity fluctuates from place to place. Geodesists use this phenomenon to observe geodynamic and climatological processes. Using...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Doc Data – warum Daten Leben retten können

14.06.2019 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - August 2019

13.06.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz in der Materialmikroskopie

13.06.2019 | Veranstaltungen

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

German Innovation Award für Rittal VX25 Schaltschranksystem

14.06.2019 | Förderungen Preise

Fraunhofer SCAI und Uni Bonn zeigen innovative Anwendungen und Software für das High Performance Computing

14.06.2019 | Messenachrichten

Autonomes Premiumtaxi sofort oder warten auf den selbstfahrenden Minibus?

14.06.2019 | Interdisziplinäre Forschung

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