Röntgenblick in Solarzelle - Photonik

Röntgenblick in Solarzelle

Organischen Solarzellen können ohne großen Aufwand mit einem industriellen Drucker produziert werden. Vorgänge auf molekularer Ebene bei der Herstellung wurden nun in Echtzeit zu beobachtet.

Bild: Uli Benz / TU München
Ein Drucker, mit dem Solarzellen aus Kunststoff hergestellt werden können

Organischen Solarzellen bestehen aus Kunststoff. Die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials ist wichtig für die Energieumwandlung. Zur Erzeugung freier Elektronen benötigen Kunststoffsolarzellen zwei Materialtypen: Einen, der Elektronen abgibt (Elektronendonator), und einen, der sie wieder aufnimmt (Elektronenakzeptor). Diese Materialien müssen eine möglichst große Grenzfläche zueinander aufweisen, um Licht in Strom umzuwandeln. Wie sich die Moleküle beim Drucken der Solarzellen zueinander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungsvorgangs wachsen, ist nicht bekannt. Um die Anordnung der Bausteine gezielt beeinflussen zu können, müssten sie verstehen, was auf molekularer Ebene passiere erklärt Dr. Eva M. Herzig von der Munich School of Engineering (MSE) der Technischen Universität München (TUM). Solche kleinen Strukturen innerhalb eines trocknenden Films zeitaufgelöst zu messen, ist eine experimentelle Herausforderung.

Forscher am MSE dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, nutzen Röntgenstrahlung, um die Moleküle und deren Prozesse während des Druckens eines Kunststofffilms sichtbar zu machen. Dabei identifizierten sie verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen. Anfangs verdampft das Lösungsmittel, wodurch sich die Konzentration der Kunststoffmoleküle im noch feuchten Film stetig erhöht. Ab einer gewissen Konzentration beginnt das Material, das als Elektronendonator fungiert, zu kristallisieren; die Moleküle des Elektronenakzeptors bilden Aggregate. Die Elektronendonator-Kristalle vergrößern sich schnell, was dazu führt, dass sich auch die Elektronenakzeptor-Aggregate weiter zusammenschieben. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenzflächen zwischen den beiden Materialien fest. Diese sind entscheidend für die Effizienz. Um die Solarzellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozessschritt angesetzt werden. In der letzten Phase finden Optimierungsprozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungsdichte in den Kristallen. Die Geschwindigkeit der Herstellung spiele eine wichtige Rolle, erklärt Stephan Pröller, Doktorand an der MSE. Bei schnelleren Trocknungsvorgängen bleibt der Ablauf zwar gleich. Allerdings beeinflussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Strukturbildung. Eine langsamere Strukturbildung wirkt sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus.

Die Forscher wollen nun die gewonnenen Kenntnisse der Abläufe nutzen, um gezielt mit weiteren Parametern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Diese Ergebnisse können dann in die industrielle Herstellung übertragen und diese damit optimiert werden.

Originalveröffentlichung:
[S. Pröller, F. Liu, C. Zhu, C. Wang, T. P. Russell, A. Hexemer, P. Müller-Buschbaum, E. M. Herzig, Organic Solar Cells: Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells, Advanced Energy Materials Vol. 6 Issue 1 (2016), DOI: 10.1002/aenm.201501580]

www.tum.de

 
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