Markt für organische PV wächst stark

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Forscher machen Solarzellen immun gegen die Auswirkungen von Wasser, Luft und Licht

Forscher der New York University Tandon School of Engineering haben ein bemerkenswertes Mittel entdeckt, um organische Solarmodule robuster zu machen, einschließlich der Verleihung von Beständigkeit gegen Sauerstoff, Wasser und Licht, indem sie das Gegenteil tun: Material entfernen, nicht hinzufügen. Der Markt für organische Solarzellen wird bis 2020 gegenüber 2017 voraussichtlich um mehr als 20% gewachsen sein, getrieben durch Vorteile vor herkömmlichen Silizium-Solarzellen: sie können im großen Maßstab durch Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung massenhaft hergestellt werden; die sie enthaltenden Materialien sind leicht in der Erde zu finden und könnten durch grüne Chemie auf Solarzellen aufgebracht werden; sie können halbtransparent und daher weniger visuell aufdringlich sein – was bedeutet, dass sie an Fenstern oder Bildschirmen montiert werden können und ideal für mobile Geräte sind; sie sind ultraflexibel und dehnbar; und sie können extrem leicht sein.

ACS Energy Letters, Titelstory

Im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen sind organische Zellen jedoch sehr anfällig für Feuchtigkeit, Sauerstoff und selbst Sonnenlicht. Bei der modernen Sanierung wird die Zelle eingekapselt, was die Produktionskosten und das Stückgewicht erhöht und gleichzeitig die Effizienz reduziert.

Das Team unter der Leitung von André Taylor, Professor für chemische und biomolekulare Technik an der NYU Tandon School of Engineering, darunter Jaemin Kong, Postdoc-Forscher an der NYU, und Forscher am Transformative Materials and Devices Lab der Yale University, führte das molekulare Äquivalent der Haarentfernung durch Wachsen durch: Sie benutzten ein Klebeband, um die elektronenannehmenden Moleküle – das konjugierte Fullerenderivat Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) – von der obersten Oberfläche der photoaktiven Schicht der Solarzelle zu entfernen, wobei nur nicht-reaktive organische Polymere freigelegt wurden. Einer der Hauptverantwortlichen für den Geräteabbau ist die Oxidation dieser Fullerenderivate. Das Entfernen von PCBM von der belichteten Filmoberfläche reduziert die Gefahr von Begegnungen mit Oxidationsquellen wie Sauerstoffmolekülen und Wasser, das für PCBM besonders schädlich ist.

In einer Titelgeschichte in Band 4, Ausgabe 5 der ACS Energy Letters unter dem Titel „Unterwasser-Organische Solarzellen durch selektive Entfernung von Elektronenakzeptoren in der Nähe der oberen Elektrode“ testete das Team eine organische Zelle, deren aktive Schicht eine Mischung aus PCBM und dem elastischeren konjugierten Polymer Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) ist. Nach dem Aufbringen des Klebebandes auf die Oberfläche der photoaktiven Schicht der Folie behandelten sie die Zelle mit Wärme und Druck und, nachdem die Folie wieder Raumtemperatur erreicht hatte, entfernten sie langsam das Band von der Folienoberfläche.

Danach blieben nach Angaben der Forscher nur noch sechs Prozent der PCBM-Akzeptorkomponenten übrig, um eine polymerreiche Oberfläche zu erzeugen. Sie erklärten, dass dieser minimierte Kontakt der Fulleren-Elektronenakzeptoren mit Sauerstoff- und Wassermolekülen, während die polymerreiche Oberfläche die Haftung zwischen der photoaktiven Schicht und der oberen Metallelektrode drastisch verbesserte, was ein weiteres Problem, das mit der Flexion einhergeht, verhindert: die Delamination der Elektrode.

„Unsere Ergebnisse zeigen schließlich, dass die selektive Entfernung von Elektronenakzeptoren in der Nähe der oberen Elektrode zu hochbelastbaren organischen Solarzellen führt, die auch unter Wasser ohne Verkapselung funktionieren können“, sagt Taylor. Und Kong fügte hinzu: „Wir haben gezeigt, wie viel länger die Zelle unter Wassereinwirkung ohne nennenswerten Effizienzverlust hält“. „Darüber hinaus können wir mit unserer Bandabstreiftechnik die Verteilung der Zusammensetzung in vertikaler Richtung der photoaktiven Schicht kontrollieren, was zu einer besseren Ladungsentnahme aus den Solarzellen führt.“

Laut Taylor beinhalteten die Stresstests für die Solarzellen nach dem Verfahren 10.000 Biegezyklen (microsoft video: nz9b00274_si_002.avi – 11.9 MB), um zu zeigen, dass die Technik robust ist. Er erklärte, dass auch die Wasserbeständigkeit von organischen Solarzellen gewährleistet sei, ein Segen für Produkte wie solarbetriebene Taucheruhren. „Wenn man sich allerdings den offensichtlichen Anwendungsfall für Solarmodule ansieht, muss man sicherstellen, dass die organische Photovoltaik mit Silizium auf Dächern, bei Regen und Schnee konkurrieren kann. Hier sind organische Solarzellen einfach schon lange nicht mehr konkurrenzfähig. Wir zeigen einen Weg, wie dies möglich ist“, so Taylor.

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