Mehr Strom aus organischen Solarzellen

Salt Lake City (USA) - Solarzellen aus lichtaktiven Kunststoffen sind flexibel und lassen sich in günstigen Verfahren auf Textilien, Vorhänge oder Papier aufdrucken. Allein der Wirkungsgrad dieser Module hinkt mit weit unter zehn Prozent den von starren Solarzellen auf Siliziumbasis hinterher. Ein neuer Zusatz, den amerikanische Wissenschaftler erprobt haben, könnte nun die Effizienz der sogenannten Organischen Photovoltaik um etwa ein Fünftel steigern. Wie das funktioniert, erklären sie in der Zeitschrift „Nature Communications“.

„Die größten Verluste in organischen Solarzellen treten bei der Rekombination von Polaronen-Paaren auf“, erklären Valy Vardeny und seine Kollegen von der University of Utah in Salt Lake City. Diese Polaronen-Paare entstehen, wenn Sonnenlicht auf die Kunststoff-Module fällt und dabei negativ geladene Elektronen von positiv geladenen Elektronenlöchern trennt. Genau diese Trennung stellt den grundlegenden Prozess für die Gewinnung von Solarstrom dar – aber eben nur, wenn sich diese Ladungsträger nicht allzu schnell wieder vereinigen, im Fachslang „rekombinieren“, bevor sie in einen angeschlossenen Stromkreislauf wandern und so nutzbaren Strom erzeugen konnten.

Die unerwünschte Rekombination konnten Vardeny und Kollegen nun mit einem speziellen Galvinoxyl-Radikal, einem organischen Molekül aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, unterdrücken. Sie reicherten die lichtaktiven Schichten in einer organischen Solarzelle mit einer geringen Galvinoxyl-Menge an. Diese Substanz veränderte beim Einfall von künstlichem Sonnenlicht die elektronischen Eigenschaften der für die Stromgewinnung wichtigen negativ geladenen Elektronen. Genauer erklärt schaltete sie den Eigendrehimpuls der Elektronen, den Spin, um. Die Folge: Durch den veränderten Spin konnten sich die Elektronen nicht mehr so einfach wie zuvor mit den parallel erzeugten, positiv geladenen Elektronenlöchern vereinigen. Der Wirkungsgrad der Solarzelle stieg um 18 Prozent.

Diese Versuche zeigen, dass zusätzliche Substanzen wie Galvinoxyl-Moleküle die Effizienz organischer Solarzellen weiter erhöhen können. Noch befinden sich diese Methoden zur Wirkungsgrad-Steigerung in einer frühen Entwicklungsphase. Doch ist es nicht unwahrscheinlich, dass noch wirksamere Substanzen entdeckt werden, um organische Solarzellen auch über die 10-Prozent-Schwelle für den Wirkungsgrad heben zu können. Da auch organische Leuchtdioden (OLED) auf ähnlichen Materialien und Prozessen wie organische Solarzellen beruhen, sehen die Forscher in ihren Zusätzen ebenfalls ein großes Potenzial, um die Lichtausbeute von OLEDs weiter steigern zu können.