Der Effizienz organischer Solarzellen auf der Spur

Molekülschwingungen reduzieren maximal erreichbare Photospannung

Wissenschaftler der TU Dresden und der Hasselt University in Belgien haben sich mit den physikalischen Ursachen beschäftigt, die den Wirkungsgrad neuartiger Solarzellen auf der Basis organischer molekularer Materialien einschränken. Aktuell ist u.a. die Spannung solcher Zellen noch zu gering – ein Grund für ihre noch relativ niedrigen Effizienzen. In ihrer in Nature Communications veröffentlichten Studie, bei der sie u.a. die Schwingung von Molekülen in den dünnen Filmen betrachteten, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ganz fundamentale Quanteneffekte, sogenannte Nullpunktsschwingungen, einen wesentlichen Beitrag zu Spannungsverlusten leisten können.

Solarzellen seien ein Kristallisationspunkt großer Hoffnungen bei der notwendigen Umstellung der globalen Energieerzeugung, so die Forscher. Die Organische Photovoltaik (OPV) basiere auf organischen, also kohlenstoffbasierten Materialien und könne bestens geeignet sein, eine wichtige Stütze im Energiemix der „Erneuerbaren“ zu werden, weil sie verglichen mit herkömmlichen siliziumbasierten Modulen eine bessere Ökobilanz aufweise und es für die dünnen Filme nur geringen Materialeinsatzes bedürfe. Notwendig sei aber eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads, der auf verschiedenen Kennwerten, wie z.B. der Leerlaufspannung, beruhe. Die zu geringe Leerlaufspannung sei aktuell ein Hauptgrund für noch recht moderate Effizienzen bei OPV.

Illustration der Erzeugung von Elektron-Loch Paaren (sog. Exzitonen), der Vorstufe von freien Ladungsträgern in der aktiven Schicht einer organischen Solarzelle. Freie Ladungsträger erzeugen anschließend eine elektrische Spannung an den Kontakten in der Zelle. Der untere Bildausschnitt zeigt ein mikroskopisches Modell der organischen Dünnfilms. – Foto – © M. Panhans

 

In der Studie wurden physikalische Ursachen dafür untersucht – unter anderem die Schwingungen von Molekülen in den dünnen Filmen. Es habe sich gezeigt, dass u.a. die sog. Nullpunktsschwingungen – ein Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung am absoluten Temperaturnullpunkt charakterisiert – einen wesentlichen Einfluss auf Spannungsverluste haben könnten. Eine direkte Beziehung zwischen molekularen Eigenschaften und makroskopischen Bauelemente-Größen habe nachgewiesen werden können. Die Ergebnisse lieferten wichtige Aussagen für die weitere Entwicklung und Verbesserung neuartiger organischer Materialien, heißt es.

Der Niederenergiebereich von optischen Absorptionsspektren sei für die Leistung von Solarzellen entscheidend, sei aber im Fall von organischen Solarzellen mit vielen Einflussfaktoren noch nicht gut verstanden. In der vorliegenden Studie sei der mikroskopische Ursprung von Absorptionsbändern in molekularen Mischsystemen sowie ihre Rolle in organischen Solarzellen untersucht worden, erklären die Forscher. Im Fokus habe die Temperaturabhängigkeit der Absorptionsmerkmale gestanden, die unter Berücksichtigung von Molekülschwingungen theoretisch untersucht worden sei. Die sehr gute Übereinstimmung der Simulationen mit den experimentell gemessenen Absorptionsspektren führe zu einer Reihe wichtiger Erkenntnisse.

Die Autoren entdeckten, dass die Nullpunktsvibrationen, vermittelt durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung, eine beträchtliche Absorptionsbandbreite verursacht, über die ein Teil der Energie auch wieder ungenutzt abgestrahlt wird und die Leerlaufspannung reduziert. Diese Spannungsverluste können nun aus elektronischen und vibronischen Molekularparametern vorhergesagt werden. Ungewöhnlich sei, dass dieser Effekt selbst noch bei Raumtemperatur stark sei und die Effizienz der organischen Solarzelle erheblich einschränken könne. Welche Strategien zur Verringerung dieser schwingungsinduzierten Spannungsverluste für eine größere Anzahl von Systemen und unterschiedliche Heteroübergangs-Geometrien angewendet werden könnten, wird von den Studienautoren weiter ausgeführt.

Beteiligte Institutionen:

  • Technische Universität Dresden: Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP), Institut für Angewandte Physik
  • Hasselt University, Belgien: Institute for Materials Research (IMO-IMOMEC)

->Quellen:

  • TU-Dresden.de/der-effizienz-organischer-solarzellen-auf-der-spur
  • Michel Panhans, Sebastian Hutsch, Johannes Benduhn, Karl Sebastian Schellhammer, Vasileios C. Nikolis, Tim Vangerven, Koen Vandewal, Frank Ortmann: Molecular vibrations reduce the maximum achievable photovoltage in organic solar cells, in Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-15215-x