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 Materialwissenschaft der Universität Jena erhält neues Spezial-Mikroskop
18.07.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Vielfältig und preiswert: Alternative Pulver für die additive Fertigung von Stählen entwickelt
11.07.2019 | Fraunhofer IFAM Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch...

Im Focus: Better thermal conductivity by adjusting the arrangement of atoms

Adjusting the thermal conductivity of materials is one of the challenges nanoscience is currently facing. Together with colleagues from the Netherlands and Spain, researchers from the University of Basel have shown that the atomic vibrations that determine heat generation in nanowires can be controlled through the arrangement of atoms alone. The scientists will publish the results shortly in the journal Nano Letters.

In the electronics and computer industry, components are becoming ever smaller and more powerful. However, there are problems with the heat generation. It is...

Im Focus: Nanopartikel mit neuartigen elektronischen Eigenschaften

Forscher der FAU haben Konzept zur Steuerung von Nanopartikeln entwickelt

Die optischen und elektronischen Eigenschaften von Aluminiumoxid-Nanopartikeln, die eigentlich elektronisch inert und optisch inaktiv sind, können gesteuert...

Im Focus: First-ever visualizations of electrical gating effects on electronic structure

Scientists have visualised the electronic structure in a microelectronic device for the first time, opening up opportunities for finely-tuned high performance electronic devices.

Physicists from the University of Warwick and the University of Washington have developed a technique to measure the energy and momentum of electrons in...

Im Focus: Neues Verfahren für den Kampf gegen Viren

Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft in Sulzbach und Regensburg arbeiten im Projekt ViroSens gemeinsam mit Industriepartnern an einem neuartigen Analyseverfahren, um die Wirksamkeitsprüfung von Impfstoffen effizienter und kostengünstiger zu machen. Die Methode kombiniert elektrochemische Sensorik und Biotechnologie und ermöglicht erstmals eine komplett automatisierte Analyse des Infektionszustands von Testzellen.

Die Meisten sehen Impfungen als einen Segen der modernen Medizin, da sie vor gefährlichen Viruserkrankungen schützen. Doch bevor es ein Impfstoff in die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Testzone für die KI-gestützte Produktion

18.07.2019 | Veranstaltungen

„World Brain Day“ zum Thema Migräne: individualisierte Therapie statt Schmerzmittelübergebrauch

18.07.2019 | Veranstaltungen

Kosmos-Konferenz: Navigating the Sustainability Transformation in the 21st Century

17.07.2019 | Veranstaltungen

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

Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

19.07.2019 | Physik Astronomie

„PerovsKET“ erforscht Schlüsseltechnologien für photonische Schaltungen

19.07.2019 | Energie und Elektrotechnik

Chemie des kosmologischen Dunklen Zeitalters im Labor untersucht

19.07.2019 | Physik Astronomie

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