Wie organische Solarzellen deutlich effizienter werden könnten

Die Sonne schickt enorme Energiemengen auf die Erde. Doch in Solarzellen geht ein Teil davon verloren. Gerade bei organischen Solarzellen, die für innovative Anwendungen in Frage kommen, ist das eine Hürde für ihre Nutzung. Ein Schlüssel, um sie leistungsfähiger zu machen: Ein verbesserter Transport der im Material zwischengespeicherten Sonnenenergie. Dass sich durch bestimmte organische Farbstoffe regelrechte Autobahnen ausbilden können, hat eine Forschungsgruppe der Technischen Universität München (TUM) nun gezeigt.

Diese Energiesammler sind leicht, hauchdünn und schmiegen sich als flexible Beschichtung auf fast jede Oberfläche: Solarzellen, die auf organischen Halbleitern basieren, eröffnen für die Anwendung ganz neue Möglichkeiten. Beispielsweise als rollbare Solarpaneele und -folien oder für die Ausstattung von Smart Devices. Doch ein Handicap für viele Anwendungen ist der vergleichsweise schlechte Transport der gewonnenen Energie innerhalb des Materials. Um diesen zu verbessern, untersuchen Forschende die elementaren Transportprozesse von organischen Solarzellen.

Anregende Sonnenkraft

Einer von ihnen ist Frank Ortmann, Professor für Theoretical Methods in Spectroscopy an der TUM. Für ihn und seine Kolleg:innen aus Dresden steht unter anderem die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Fokus – und insbesondere das Verhalten der sogenannten Exzitonen. „Exzitonen sind so etwas wie der Kraftstoff der Sonne, den es optimal zu nutzen gilt“, erklärt Ortmann, der auch Mitglied im Exzellenzcluster e-conversion ist. „Trifft Lichtenergie als Photon auf das Material einer Solarzelle, wird es absorbiert und als angeregter Zustand zwischengespeichert. Diesen Zwischenzustand beschreibt man als Exziton.“ Erst wenn die Ladungen an eine speziell designte Grenzfläche gelangen, werden sie als elektrische Energie nutzbar. Ortmann und sein Team konnten nun zeigen, dass sich mit organischen Farbstoffen sogenannte Exzitonen-Autobahnen kreieren lassen.

Farbstoff mit Turboeffekt

Warum es wichtig ist, dass die Exzitonen so schnell wie möglich die Grenzfläche erreichen, lässt sich auf ihre kurze Lebenszeit zurückführen. „Je schneller und gezielter der Transport abläuft, desto besser ist die Energieausbeute – und damit die Effizienz der Solarzelle“, so Ortmann. Die organischen Farbstoff-Moleküle – sogenannte chinoide Merocyanine – ermöglichen dies. Das verdanken sie ihrem chemischen Aufbau und ihrer Fähigkeit, das sichtbare Licht sehr gut zu absorbieren. Deswegen würden sie sich auch als aktive Schicht in einer organischen Solarzelle eignen.

Energiepakete auf der Überholspur

Mithilfe von spektroskopischen Messungen und Modellen konnten die Forschenden den Exzitonen sozusagen bei ihrem Sprint durch die Farbstoffmoleküle zuschauen. „Mit Werten von 1,33 Elektronenvolt übertrifft unser Design die Werte in organischen Halbleitern bei weitem – die organischen Farbstoff-Moleküle bilden sozusagen eine Autobahn“, sagt Ortmann. Diese grundlegend neuen Erkenntnisse könnten den Weg für einen gezielten, effizienteren Exzitontransport in organischen Feststoffen ebnen – und so die Entwicklung leistungsfähigerer organischer Solarzellen oder organischer Leuchtdioden beschleunigen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Frank Ortmann
Technische Universität München
Tel. +49 (89) 289 – 13611
frank.ortmann@tum.de
www.ch.nat.tum.de/tms/startseite/

Originalpublikation:

Directed Exciton Transport Highways in Organic Semiconductors, Kai Müller, Karl S. Schellhammer, Nico Gräßler, Bipasha Debnath, Fupin Liu, Yulia Krupskaya, Karl Leo, Martin Knupfer, Frank Ortmann,
DOI: 10.1038/s41467-023-41044-9
www.nature.com/articles/s41467-023-41044-9

Weitere Informationen:

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