Eine Frage der Affinität

Wie man Materialien für organische Solarzellen entwirft

Eine wissenschaftliche Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz mit der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Thuwal, Saudi-Arabien hat organische Solarzellen untersucht und Designregeln für lichtabsorbierende Farbstoffe abgeleitet, die dazu beitragen können, diese Zellen effizienter zu machen und gleichzeitig das Absorptionsspektrum der Zellen an die Bedürfnisse der gewählten Anwendung anzupassen – so das MPI-P auf seiner Internetseite und die KAUST auf der ihren.

Die untersuchten Farbstoffe, aus denen moderne organische Solarzellen aufgebaut sind, können hinsichtlich ihrer Effizienz mit den bisher verwendeten Akzeptor-Molekülen – sogenannten Fullerenen – gleichziehen bzw. sie übertreffen – Bild © MPI-P

Solarzellen aus Silizium bestehen aus zwei Siliziumschichten, die verschiedene Atome wie Bor oder Phosphor enthalten. Werden diese Schichten kombiniert, lenken sie die durch das absorbierte Sonnenlicht erzeugten Ladungen zu den Elektroden – dieser (Foto-)Strom kann dann zum Antrieb elektronischer Geräte verwendet werden. Bei organischen Solarzellen ist die Situation anders: Hier werden zwei organische Materialien miteinander vermischt, anstatt sie in einer Schichtstruktur anzuordnen. Es handelt sich um Mischungen verschiedener Arten von Molekülen. Eine Molekül-Art, der Akzeptor, nimmt gerne Elektronen von der anderen Art, dem Donor, auf. Um zu quantifizieren, wie wahrscheinlich ein “Elektronentransfer” zwischen diesen Materialien stattfindet, misst man die so genannte “Elektronenaffinität” und “Ionisierungsenergie” jedes Materials. Diese Größen geben an, wie einfach es ist, einem Molekül ein Elektron hinzuzufügen oder ein Elektron zu entfernen. Neben der Bestimmung des Wirkungsgrades organischer Solarzellen steuern die Elektronenaffinität und die Ionisierungsenergie auch andere Materialeigenschaften, wie beispielsweise Farbe und Transparenz.

Durch die Paarung von Donor- und Akzeptormaterialien entsteht eine Solarzelle. In einer organischen Solarzelle übertragen Lichtteilchen (“Photonen”) ihre Energie auf Elektronen. Angeregte Elektronen hinterlassen positive Ladungen, so genannte “Löcher”. Diese Elektron-Loch-Paare werden dann aufgrund der Unterschiede in der Elektronenaffinität und der Ionisationsenergie der beiden Materialien an deren Grenzfläche getrennt.
Bisher gingen die Wissenschaftler davon aus, dass sowohl die Elektronenaffinität als auch die Ionisierungsenergie für die Funktionalität der Solarzelle gleich wichtig sind.

Forschende von KAUST und MPI-P haben nun entdeckt, dass bei vielen Donor-Akzeptor-Mischungen jedoch vor allem die Differenz der Ionisationsenergie zwischen den beiden Materialien die Effizienz der Solarzelle bestimmt. Die Kombination von Ergebnissen aus optischen Spektroskopie-Experimenten, die in der Gruppe von Frédéric Laquai an der KAUST durchgeführt wurden, sowie von Computersimulationen, die in der Gruppe von Denis Andrienko, MPI-P, in dem von Kurt Kremer geleiteten Arbeitskreis durchgeführt wurden, ermöglichte die Ableitung präziser Designregeln für molekulare Farbstoffe, die auf die Maximierung der Effizienz der Solarzelle abzielen.

“In Zukunft wäre es zum Beispiel denkbar, transparente Solarzellen herzustellen, die nur Licht außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs absorbieren – dann aber mit maximaler Effizienz in diesem Bereich”, sagt Denis Andrienko, Mitautor der in der Zeitschrift “Nature Materials” veröffentlichten Studie. “Mit solchen Solarzellen könnten ganze Häuserfronten als aktive Fläche genutzt werden”, fügt Laquai hinzu.

Die Autoren gehen davon aus, dass sie mit diesen Studien einen Wirkungsgrad der Solarzellen von 20 % erreichen können, ein Ziel, das die Industrie für eine kostengünstige Anwendung der organischen Photovoltaik im Auge hat.

Text der KAUST-Webseite: Licht auf Effizienzverlust bei organischen Solarzellen – tieferes Verständnis der effizienzbegrenzenden Prozesse liefert Konstruktionsregeln

Ein Einblick in die Energieverluste, die die Umwandlung von Licht in Elektrizität beeinflussen, könnte dazu beitragen, die Wirkungsgrade organischer Solarzellen zu verbessern. Ein KAUST-geführtes Team von organischen Chemikern, Materialingenieuren, Spektroskopikern und theoretischen Physikern aus sechs Forschungseinheiten hat effizienzbegrenzende Prozesse in organischen Photovoltaik-Systemen umfassend untersucht und (ebenfalls am 27.10.2020) auf der KAUST-Webseite publiziert.

Um Sreom zu ernten, sind hochmoderne organische Solarzellen auf Bulk-Heteroübergänge (Mischungen aus lichtempfindlichen Elektronendonor- und Akzeptormaterialien) angewiesen. Wenn Licht auf den Heteroübergang trifft, entstehen angeregte Zustände, die aus Elektronenpaaren und positiv geladenen Löchern bestehen, die getrennt werden müssen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Bei der Ladungstrennung gibt der Donor Elektronen an den Akzeptor ab, und der Akzeptor überträgt Löcher auf den Donor. Daher hängt der Wirkungsgrad der Solarzellen von zwei Schlüsselfaktoren ab: dem Elektronenaffinitäts-Offset zwischen diesen Materialien, der der Fähigkeit des Akzeptors entspricht, ein Elektron zu gewinnen und den Elektronentransfer voranzutreiben; und dem Ionisierungsenergie-Offset, der die Neigung des Donors darstellt, ein Elektron freizusetzen, wodurch der Lochtransfer erleichtert wird.

Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs) haben in jüngster Zeit Solarzellen mit Umwandlungswirkungsgraden nahe 20 Prozent hervorgebracht und übertreffen damit Fulleren-basierte Akzeptoren, die vorher dominierten. “Der Schlüssel zu diesen Rekordwirkungsgraden ist die Konstruktion und Synthese von Materialien, die eine effiziente Ladungserzeugung mit minimalen Energieverlusten kombinieren”, erklärt Teamleiter Frédéric Laquai. “Die genaue Rolle der Energie-Offsets und der damit verbundenen Prozesse ist jedoch unklar, was die Entwicklung von Designregeln für NFA-basierte Systeme ins Stocken gebracht hat”, fügt er hinzu.

Mit Hilfe eines komplexen Laseraufbaus entdeckte das Team, dass entgegen jüngsten Berichten erhebliche Ionisierungsenergie-Offsets erforderlich waren, um Ladungen zu erzeugen.

Um dies anzugehen, entwickelte das multidisziplinäre Team einen Ansatz zur Überwachung der photophysikalischen Prozesse, die die Ladungserzeugung in 23 verschiedenen NFA-basierten Systemen beeinflussen. “Zusammen mit unserem Mitarbeiter Denis Andrienko vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Deutschland haben wir ein prägnantes Modell entwickelt, das es uns ermöglicht, unsere experimentellen Beobachtungen mit physikalischen Parametern und chemischen Strukturen zu korrelieren”, sagt der Forscher Julien Gorenflot aus der Gruppe um Laquai.

Die Forscher stellten fest, dass entgegen jüngsten Berichten erhebliche Ionisationsverschiebungen erforderlich waren, um Ladungen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu konnten die Elektronenaffinitäts-Offsets unabhängig von ihrer Größe keine Ladungstrennung induzieren. Diese unerwarteten Ergebnisse resultieren aus einem als Förster-Resonanzenergietransfer bekannten Prozess, der mit dem Elektronentransfer zu konkurrieren scheint. Postdoc Catherine De Castro erklärt, dass “dies eine unmittelbare Folge des Konstruktionsprinzips der Mischungen ist, bei denen Donor und Akzeptor eine überlappende Emission und Absorption aufweisen, was den Energietransfer erleichtert”.

Das Team plant, neue Materialien zu entwickeln, die eine verbesserte Effizienz der Ladungserzeugung mit geringeren Energieverlusten kombinieren. “Dies wird dazu beitragen, den Effizienzunterschied zu anderen aufkommenden Photovoltaik-Technologien zu verringern und die organische Photovoltaik näher zur Reife und Anwendung zu bringen”, sagt Gorenflot.

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