Forschung & Entwicklung

Fullerene überbrücken Leitungslücke in organischer Fotovoltaik

Eine Zwischenschicht aus einem ionischen fullerenhaltigen Polymer erhöht den Wirkungsgrad von organischen Solarzellen um 300 %.

In der organischen Fotovoltaik werden mittlerweile hohe Wirkungsgrade erzielt. Gegenüber den gängigen Siliziumsolarzellen haben organische Zellen viele Vorteile: Die Module sind leicht, sogar biegsam, und können prinzipiell aus günstigen Ausgangsstoffen hergestellt werden. Um jedoch an die Langlebigkeit und die Qualität der Siliziumzellen heranzukommen, müssen noch bessere Materialkombinationen für die aktive Schicht und die Elektroden gefunden werden. Bislang sind solche leistungsstarken Architekturen noch sehr aufwendig und teuer.

Luftstabile Kathoden, die sich sehr einfach auftragen lassen, bestehen aus Silber oder Gold. Diese Metalle haben aber eine hohe Austrittsarbeit, die sich auf das Zellpotenzial und somit die Leistung auswirkt. Yao Lui von der Beijing University of Chemical Technology (China) sowie Thomas Russell und Todd Emrick von der University of Massachusetts in Amherst (USA) und ihre Teams haben jetzt eine Zwischenschicht aus einem Polymer entwickelt, das leitfähig ist und durch den Dipolcharakter die Austrittsarbeit reduziert.

Als Material für die Zwischenschicht untersuchten die Forscher ein neuartiges Polymerdesign von ionischen Polymeren: „Diese ionischen Polymere sind Polykationen, bei denen sich die geladenen Einheiten innerhalb des Polymerrückgrats befinden, also nicht Seitengruppen sind”, erläutern die Autoren. Bei diesem Design verteilt sich die Ladung über die Polymerlänge noch besser als in normalen kationischen Polymeren, und durch das Polymerdesign lässt sich die Ladung und damit der Dipolcharakter gezielt anpassen. Allerdings ist das Polymer allein nicht besonders leitfähig, eine Grundvoraussetzung für eine Zwischenschicht in elektronischen Bauelementen.

Also musste die Leitfähigkeit zusätzlich erhöht werden, und zwar durch den Einbau von Fullerenen in die Polymerstruktur. Fullerene bestehen aus einem Kugelgerüst allein aus Kohlenstoffatomen. Sie werden in organischen Fotomodulen schon häufig als Elektronenakzeptoren eingebaut. Geschätzt werden sie unter anderem wegen ihrer Leitfähigkeit.

Das Fullerenionenpolymer entwickelten die Wissenschaftler durch ein Stufenwachstumsverfahren unter Verwendung von neuartigen funktionalen Monomeren. Dann bauten sie es als Zwischenschicht in eine organische Fotozelle ein, deren Wirkungsgrad sich um 300 Prozent steigerte und zweistellige Werte von über 10 % erreichte. Ein solcher Wirkungsgrad liegt im üblichen Anwendungsbereich von Fotozellen. Eine relativ einfache Materialinnovation kann also den Wirkungsgrad verbessern. Die Forscher betonen, dass insbesondere die Unverträglichkeit zwischen (harter) Elektrode und (weicher) aktiven Schicht überbrückt wurde.

von mn

Originalveröffentlichung:

[Y. Liu, M. Sheri, M. D. Cole, D. Man Yu, T. Emrick, T. P. Russell, Transforming Ionene Polymers into Efficient Cathode Interlayers with Pendent Fullerenes, Angew. Chem. (2019); DOI: 10.1002/ange.201901536]

www.english.buct.edu.cn

www.massachusetts.edu

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