Neuer Rekord für organische Solarzellen

Tianjin (China ) - Solarzellen aus organischen Substanzen statt aus Silizium bieten viele Vorteile: je nach Produktionsverfahren lassen sie sich flexibel verbiegen und zudem günstiger fertigen als herkömmliche Photovoltaik-Module. Allein der Wirkungsgrad organischer Solarzellen hinkte bisher der Silizium-Konkurrenz deutlich hinterher. Doch mit einem neuen Effizienzrekord von 17,3 Prozent schafften nun chinesische Wissenschaftler einen großen Schritt nach vorne. Bisher rangierte der Wirkungsgrad für organische Solarzellen bei etwa 14 Prozent. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, erzielten sie den neuen Weltrekord mit einer geschickten Auswahl an Sonnenlicht absorbierenden Materialien.

Vor dem Bau ihrer Prototypen untersuchten Yongsheng Chen und seine Kollegen von der Nankai University in Tianjin die Ursachen für die bisher geringen Wirkungsgrade von organischen Solarzellen. Sie sahen in der geringen Beweglichkeit von Ladungsträgern – Elektronen und Elektronenlöcher – und die daraus folgende verminderte Absorption von Sonnenlicht durch die lichtaktiven Substanzen als wichtigste Gründe. Um dieses Problem zu beheben, wählten sie aus der Vielzahl verfügbarer Substanzen genau die organischen Materialien aus, die sich zur Nutzung des Sonnenlichts am besten ergänzen konnten.

Für den Bau ihrer Solarzellen wählten sie darauf das Tandem-Konzept, bei dem pro Solarzelle gleich zwei lichtaktive Schichten das Sonnenlicht absorbieren und in elektrischen Strom umwandeln konnten. Die obere, in einem nasschemischen Verfahren aufgetragene Schicht nutzte das Sonnenlicht im Wellenlängenbereich zwischen 300 und 720 Nanometern mit einem maximalen Effizienz bei 560 Nanometern. Die darunter liegende Schicht fing dagegen effizienter Lichtteilchen mit etwas geringerer Energie im Wellenlängenbereich zwischen 720 und 1050 Nanometern ein. Für ihren Prototyp schichteten sie die lichtaktiven Substanzen in einen Stapel aus insgesamt neun Lagen inklusive elektrisch leitfähigen Elektroden, nicht leitenden Trennschichten und transparenter Deckschicht.

Testmessungen mit mehr als 50 Solarzell-Prototypen ergaben einen mittleren Wirkungsgrad von knapp 17 Prozent. Einzelne organische Tandemzellen erreichten sogar knapp mehr als 17,3 Prozent bei einer Spannung von etwa 1,6 Volt. Ein Langzeitversuch zeigte, dass diese Effizienz binnen 166 Tagen nur um vier Prozent abnahm. „Mit diesem Wirkungsgrad bewegen sich die organischen Tandemzellen nur noch knapp unter den Wirkungsgraden der kommerziellen Solarzell-Industrie“, sagt Yongsheng Chen. In weiteren Entwicklungsschritten wollen die Forscher die Haltbarkeit der organischen Tandemzellen, insbesondere in feuchter Umgebung, weiter steigern. Auch weitere Effizienzsteigerungen auf bis zu 25 Prozent Wirkungsgrad hält Chen für möglich. Spätestens dann können organische Solarzellen mit den etablierten Silizium-Solarzellen und den ebenfalls vielversprechenden Perowskit-Solarzellen bei zugleich deutlich geringeren Fertigungskosten konkurrieren.