Durchbruch bei organischen Solarzellen: Forschungsteam entschlüsselt die 20-Prozent-Hürde

Organische Solarzellen gelten seit Jahren als vielversprechende Alternative zur klassischen Siliziumtechnologie. Sie lassen sich aus erdreichlichen Materialien kostengünstig herstellen, sind flexibel und leicht und eignen sich für Anwendungen, bei denen starre Siliziumpanele nicht infrage kommen. Doch eine hartnäckige Effizienzgrenze bremste ihre Entwicklung: Jenseits von 20 Prozent Wirkungsgrad geriet der Fortschritt ins Stocken. Ein internationales Forschungsteam hat jetzt den physikalischen Mechanismus hinter dieser Schranke identifiziert und zeigt, wie sie sich überwinden lässt.

Füllfaktor gegen Leerlaufspannung

Die Leistung einer Solarzelle hängt von drei Kenngrößen ab: dem Kurzschlussstrom, der Leerlaufspannung und dem Füllfaktor. Alle drei bestimmen, wie viel Strom eine Zelle erzeugt. Bei organischen Solarzellen stehen zwei davon in einem ungünstigen Verhältnis zueinander. Wer die Leerlaufspannung steigert, drückt in der Regel den Füllfaktor, und umgekehrt. Dieses Wechselspiel verhinderte bisher, dass beide Parameter gleichzeitig auf hohem Niveau gehalten werden konnten.

Das Forschungsteam um Prof. Dieter Neher von der Universität Potsdam, Prof. Feng Gao von der Linköping University in Schweden und Prof. Safa Shoaee vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin hat die Ursache dieses Zielkonflikts nun aufgeklärt. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Photonics.

Exzitonen als Engpass

Wenn Licht auf eine organische Solarzelle trifft, entstehen zunächst gebundene Elektron-Loch-Paare, sogenannte Exzitonen. Da Elektron und Loch aneinander gebunden sind, können sie sich nicht frei bewegen. Erst wenn das Paar aufgetrennt wird, entsteht nutzbarer elektrischer Strom.

Das Team zeigte durch Simulationen, dass die Erzeugung freier Ladungen unter bestimmten Bedingungen stark vom elektrischen Feld im organischen Halbleitermaterial abhängt. Dadurch entsteht eine bislang wenig verstandene Begrenzung des Füllfaktors, die besonders dann relevant wird, wenn Spannungsverluste minimiert werden sollen. Zwei physikalische Größen erwiesen sich dabei als entscheidend: die Lebensdauer der Exzitonen und die Energie, die beim Übergang in freie Ladungsträger freigesetzt wird.

Lebensdauer verlängern, Effizienz steigern

Der zentrale Befund: Eine längere Exziton-Lebensdauer mildert den Zielkonflikt zwischen Füllfaktor und Leerlaufspannung erheblich. Je länger die Exzitonen bestehen, bevor sie zerfallen, desto mehr Zeit haben sie, effizient getrennt zu werden, ohne auf ein starkes elektrisches Feld angewiesen zu sein.

Das Team überprüfte diesen Ansatz experimentell. Neue Materialkombinationen, die auf längere Exziton-Lebensdauern ausgelegt waren, produzierten Solarzellen mit hohen Füllfaktoren und gleichzeitig hoher Gesamtleistung. Das Modell liefert damit konkrete Designprinzipien für künftige organische Photovoltaikmaterialien. Ob organische Zellen dadurch mittelfristig mit etablierten Siliziumtechnologien konkurrieren können, bleibt offen. Die Forschung zeigt aber, dass die physikalischen Grenzen flexibler sind, als bisher angenommen.

via Universität Potsdam