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08.01.2016, 15:08 Uhr Meldung drucken | Artikel empfehlen

Münchner Forscher verbessern Kunststoff-Solarzellen aus dem Drucker

München - Solarzellen aus Kunststoff sind leicht, einfach zu installieren und können ohne großen Aufwand mit einem industriellen Drucker produziert werden. Allerdings sind sie herkömmlichen Solarmodulen in Belangen der Effizienz unterlegen. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun die Herstellungsvorgänge der organischen Solarzellen auf molekularer Ebene in Echtzeit beobachtet.

Die Ergebnisse, die im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht wurden, sollen helfen, die Leistung organischer Solarzellen zu verbessern. Die organischen Solarzellen aus Kunststoff gelten als Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Diese können einfach als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt werden.

Beobachtung der molekularen Prozesse
Die Installation dieses Films an verschiedenen Orten ist laut der TU München unkompliziert. Zudem sei es möglich, die Farbe und Form der Solarzellen zu verändern. Doch noch stimmt die Effizienz der organischen Photovoltaik nicht. 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 bislang 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.

Kooperation mit Lawrence Berkeley National Laboratory

Stephan Pröller, Doktorand an der MSE, nutzte in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory aus den 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 und 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.

Geschwindigkeit der Herstellung wichtig für Solarzellen-Effizienz
"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.

Quelle: IWR Online
© IWR, 2016

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