Organische Solarzellen

Eine organische Solarzelle ist eine Solarzelle, die aus Werkstoffen der organischen Chemie besteht, d. h. aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Der Wirkungsgrad, mit dem Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt mit ca. 5% (Stand Januar 2007) noch weit unter dem von Solarzellen aus anorganischen Halbleitermaterial. Organische Solarzellen bzw. Plastiksolarzellen, wie sie auch genannt werden, sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema. Die potentiellen Vorteile von einer Solarzelle auf Kunststoffbasis gegenüber von herkömmlichen Silziumsolarzellen liegen klar auf der Hand:

• Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien
• Hohe Stromausbeuten durch Dünnschicht – Großflächentechnologien für Kunststoffe
• Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung (mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)
• Hohe Umweltverträglichkeit (Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis)
• Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezielte Polymersynthese
• “Bunte“ Solarzellen für architektonische Stilelemente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wurden inzwischen viele Fortschritte erzielt, und erste Nischenanwendungen zeichnen sich ab.

Material

Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer speziellen Elektronenstruktur, dem konjugierten pi-Elektronensystem, welches den betreffenden Materialien die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halbleiter verleiht. Typische Vertreter organischer Halbleiter sind konjugierte Polymere und Moleküle, wobei auch speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet werden. Die ersten Kunststoffsolarzellen, die aus konjugierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen (Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden, waren Zweischichten-Solarzellen. Diese Zellen bestanden aus einer dünnen Schicht des konjugierten Polymers, auf die eine weitere dünne Schicht von Fullerenen aufgebracht wurde. Die photoaktive Substanz in diesen Solarzellen sind die konjugierten Kohlenwasserstoffe, die unter Lichteinstrahlung in angeregte Zustände übergehen können. Diese Zustände können ihre Anregungsenergie in Form eines Elektrons an ein Fulleren abgeben. Da die vollständig getrennten Ladungen metastabil sind, können diese Ladungen effizient gesammelt und abgeführt werden. Aus technologischer Sicht stellen konjugierte Polymere und funktionalisierte Moleküle auf Grund der Erzeugbarkeit von Schichten aus flüssiger Phase attraktive Grundmaterialien für die kostengünstige Massenproduktion flexibler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Struktur dar. Molekulare Halbleiter hingegen werden üblicherweise in Vakuum-Aufdampfprozessen zu wohldefinierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen die Herstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschichten und somit komplexerer Zellentypen (z.B. Tandemzellen) zu.

Funktionsprinzip

Die effizienten Vertreter organischer Solarzellen basieren auf der Verwendung eines sogenannten Donator-Akzeptor (D-A) -Systems, d. h. auf der geschickten Kombination verschiedener Halbleiter, welche nach Absorption von Licht einen extrem schnellen Transfer (<< 1 ps) der entstandenen Ladungsträger zu Donator und Akzeptor zeigen (z. B. Dünnschichten aus konjugierten Polymeren und Fullerenen). Solche D-A Paare unterscheiden sich durch ihre relativ zueinander verschobenen Lagen der elektrochemischen Potentiale: HOMO (highest occupied molecular orbital) und LUMO (lowest unocupied molecular orbital). Diese Orbitale sind in gewisser Weise vergleichbar mit dem Band-Schema anorganischer Halbleiter. Nach der Absorption von Photonen, deren Energie den Abstand zwischen HOMO und LUMO überschreitet, entstehen sogenannte Exzitonen (elektrostatisch gebundene Paare positiver und negativer Ladungen), die u. a. durch das lokale elektrische Feld an einer D-A Grenzfläche für einige Zeit getrennt werden. Nach der Trennung erfolgt der Ladungstransport in den zwei Halbleitern selektiv. Die Ladungsträger bewegen sich durch „Hüpfen“ durch den Halbleiter; dies gezwungen durch ihre Bewegung im ungeordnet vorliegenden (amorphen oder mikrokristallinen) Umfeld mit einer Vielzahl von Energiebarrieren. Die Ladungen treffen auf viele Molekül- und Phasengrenzen und damit auf substantielle und strukturelle Defekte, was die Rekombination und somit den Verlust der Zweierladungen bedeutet.

In einer organischen Solarzelle besteht die (aus flüssiger Phase und/oder durch Vakuumverfahren aufgebrachte) Absorberschicht in der Regel aus einem Volumengemisch von donator- und akzeptorartigen organischen Halbleitern. Diese Schicht wird auf eine lichtdurchlässige, leitfähige Elektrode (mit einem transparenten Leiter beschichtetes Floatglas) aufgebracht. Die transparente Elektrode erlaubt möglichst viel Licht einzukoppeln, um Ausbeute an absorbierten Photonen in der eigentlichen aktiven Schicht zu maximieren. Gleichzeitig sollte sie einen geringen elektrischen Flächenwiderstand aufweisen. Die wichtigste Eigenschaft jedoch ist ihre Austrittsarbeit, die bestimmt, mit welchem der beiden Halbleiter sie bevorzugt Ladungsträger austauscht (negative oder positive, entsprechend Elektronen oder Elektronfehlstellen). Auf die andere Seite der Absorberschicht wird eine Metallelektrode aufgedampft. Sie sammelt die Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens von jenen, die über transparente Elektrode fließen.

Die Rückreflexion des nicht absorbierten Lichts von der Metallelektrode erhöht die Ausbeute, weil das reflektierte Licht beim erneuten Durchtritt durch die Absorberschicht eine weitere Chance auf Absorption erhält. Auch kann die Dicke der Absorberschicht im Resonator zwischen Glaselektrode und Metallelektrode auf Maximalabsorption einer gewissen Wellenlänge optimiert werden, jedoch ist der Effekt im Vergleich zu elektrischen Überlegungen gering, siehe unten.

Die Klemmenspannung einer solchen Solarzelle wird wesentlich von den unterschiedlichen Austrittsarbeiten der beiden Elektroden mitbestimmt. Um einen hohen Photostrom zu erzielen, sollten die in der Absorberschicht verwendeten organischen Halbleiter möglichst hohe Beweglichkeiten für Ladungsträger beiderlei Vorzeichens aufweisen, damit sie nach Absorption möglichst rasch räumlich getrennt werden können und, je nach Vorzeichen, zu ihrer Elektrode abfließen. Da die aktuell eingesetzten organischen Halbleiter geringe Ladungsträgerbeweglichkeiten von ca 0,01-0,001 cm²/Vs besitzen, liegt die optimale Absorberschichtdicke im Bereich von nur einigen 100 nm.

Aussichten

Der aktuelle Wirkungsgrad organischer Solarzellen liegt im Bereich von 4-5%. Zum kommerziellen Durchbruch müssen jedoch sowohl die Effizienz als auch die Langzeitstabilität, insbesondere auf flexiblen Trägern und großen Flächen, noch deutlich gesteigert werden. Das technologische Potenzial der organischen Photovoltaik, als sogenannte „Low-cost Energy Source“ Einzug in die mobile Stromversorgung zu halten, wird gestützt durch das hohe Potenzial einer kostengünstigen Massenfertigung auf Basis etablierter Druckverfahren. In einem solchen Szenario käme der organischen Photovoltaik (OPV) besondere Bedeutung in bisher nicht erschlossenen Anwendungsbereiche bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten zu. Die Firma Konarka Technologies GmbH, Nürnberg, will 2008 erste organische Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt bringen.^[1]

Referenzen

1. N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474
2. N.S. Sariciftci, A.J. Heeger, Photophysics, charge separation and device applications of conjugated polymer/fullerene composites, in Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers, edited by H.S.Nalwa, 1, Wiley, Chichester, New York, 1997, Ch. 8, p.p. 413-455
3. „Plastic Solar Cells“ Christoph J. Brabec, N. Serdar Sariciftci, Jan Kees Hummelen, Advanced Functional Materials, Vol. 11 No: 1, pp.15-26 (2001)
4. Organic Photovoltaics”, Christoph Brabec, Vladimir Dyakonov, Jürgen Parisi and Niyazi Serdar Sariciftci (eds.), Springer Verlag (2003) ISBN 3-540-00405-X
5. Organic Photovoltaics: Mechanisms, Materials, and Devices (Optical Engineering), (Sam-Shajing Sun and Niyazi Serdar Sariciftci (eds.), CRC Press (Taylor&Francis Group) ISBN 0-8247-5963-X, Boca Raton, 2005
6. www.quantsol.unibe.ch
7. www.lios.at
8. Photon International, The Photovoltaic Magazine

Weblinks

• LIOS - Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich
• NREL reports
• Stromleitung in Polymeren - Geschichte und Funktionsprinzip (engl.)
• Solarzellen aus Polymeren (engl.)
• Forschung an Polymer-Solarzellen an der TU Ilmenau (pdf)
• Forschung zu organischen Solarzellen am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) an der TU Dresden (Moleküle)
• Experimentelle Physik VI, Univ. Würzburg, Grundlagenforschung an organischen Halbleitern, Elementarprozesse der organischen Photovoltaik, Materialwissenschaften, Experimentelle Physik VI, Physikalisches Institut der Univ. Würzburg (Polymere, Moleküle, Hybridansätze)
• ZAE Bayern, Angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik, Abt. 3: Funktionsmaterialien der Energietechnik, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V., Würzburg (ZAE Bayern) (Polymere, Moleküle, Nanoteilchen, Hybridansätze, Energiespeicher)
• Energie- und Halbleiterforschung, Univ. Oldenburg, grundlagenbezogene und angewandte Forschung/ Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik und der anorganischen Dünnschichtphotovoltaik, Materialwissenschaften, Energie- und Halbleiterforschung, Fakultät für Naturwissenschaften an der Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg (Polymere, Moleküle, Nanoteilchen, Hybridansätze)
• Leading Experts In Organic Solar Cells Say The Field Is Being Damaged By Questionable Reports

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.handelsblatt.com/news/Technologie/Forschung-Innovation/_pv/doc_page/2/_p/203116/_t/ft/_b/1290794/default.aspx/kunststoff-faengt-sonnenlicht.html