Mehr Strom mit geordneten Molekülen

Raleigh (USA) - Heute erreichen beste organische Solarzellen gerade mal Wirkungsgrade um zehn Prozent. Damit hinken sie herkömmlichen Silizium-Modulen weit hinterher. Auf dem schwierigen Weg, diesen Unterschied schrumpfen zu lassen, analysierte eine amerikanische Arbeitsgruppe nun die Ausrichtung der lichtaktiven Moleküle im Innern der Solarzellen genauer. Dabei erkannten die Forscher, dass die Anordnung der Moleküle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, könnten ausgehend von diesen Messungen nun die Produktionsverfahren für organische Solarzellen weiter optimiert werden.

In den Solarzellen treffen flach strukturierte, organische Moleküle auf kugelförmige Verbände aus Kohlenstoff-Atomen, sogenannte Fullerene. Die einen geben nach dem Einfall von Sonnenlicht Elektronen ab – die anderen nehmen diese auf. Die Folge: ein photovoltaischer Strom fließt. „Nun gibt es eine Menge an Mischzuständen auf molekularer Ebene. Das ist ein kompliziertes Problem“, sagt Harald Ade vom Department of Physics der North Carolina State University in Raleigh. Mit seinen Kollegen konzentrierte er seine Strukturanalysen genau auf die kugelförmigen Fullerene und auf die flachen Polymere. Um die vorherrschende Ausrichtung dieser Moleküle zueinander zu ermitteln, nutzten die Forscher die Streuung von weicher Röntgenstrahlung (P-SoXS).

Die Messungen ergaben einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Molekülorientierung. „Wenn die organischen Polymer-Moleküle flach um die Fullerene angeordnet sind, bestehen die besten Bedingungen für einen Ladungstransport“, erklärt Ade. Berührten die Fullerene die flachen Polymer-Moleküle dagegen nur an den Kanten, sank der Wirkungsgrad signifikant. So erreichten organische Solarzellen mit wenig Kontakten zwischen den Molekülen Wirkungsgrade um zwei Prozent. Schmiegten sich dagegen die Elektronen-Donatoren flach an die Fullerene an, lieferten die Solarzellen fast die dreifache Strommenge.

Welche Prozesse genau bei der durch Sonnenlicht induzierten Stromerzeugung abliefen, konnten Ade und Kollegen bisher noch nicht erkennen. Dennoch gibt ihre Analysemethode wichtige Hinweise darauf, welche Produktionsverfahren und Lösungsmittel am besten für eine effiziente Anordnung der lichtaktiven Polymere und der Fullerene geeignet sein sollten. Mit weiteren Messungen könnte die Fertigung organischer Solarzellen Schritt für Schritt optimiert werden. Doch bis dieses Wissen in potenziell günstigen Rolldruckverfahren für flexible organische Solarzellen verwendet wird, könnten noch einige Jahre ins Land gehen.