Winzige Stäbchen für mehr Solarstrom
Nanostäbe aus Fullerenen verbessern den Wirkungsgrad von Polymer-Solarzellen
Ein großes Hindernis auf dem Weg zur Solarenergie ist der bisher noch viel zu hohe Preis für Solarzellen aus anorganischen Halbleitermaterialien. Solarzellen auf der Basis halbleitender Polymere sind dagegen kostengünstig, leicht, dünn und biegsam – bisher aber von ihrem Wirkungsgrad her noch nicht effektiv genug. Ein Team aus Taiwan um Chain-Shu Hsu (National Chaio Tung University) und Yuh-Lin Wang (Academia Sinica) stellt nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen neuen Ansatz vor, der die Effektivität polymerbasierter Solarzellen mit Fulleren-Nanostäbchen deutlich erhöht.
In der photoaktiven Schicht einer Solarzelle setzt die Lichtenergie Elektronen frei. An der Stelle bleibt eine positiv geladene Fehlstelle, ein positiv geladenes „Loch“. Elektronen und Löcher müssen rasch und effektiv voneinander getrennt werden, sonst rekombinieren sie wieder und mindern so die Leistung der Solarzelle. Wie effektiv eine Solarzelle arbeitet, hängt also auch davon ab, wie gut die entstandene Ladung abgeführt und zu den Elektroden geleitet wird.
In Polymer-Solarzellen lässt sich eine effizientere Ladungstrennung erzielen, indem so genannte Akzeptoren zugegeben werden, die Elektronen aufnehmen, z.B. Fullerene. Ein vielversprechendes Konzept ist es, die Akzeptormoleküle in eine ungeordnete Matrix aus photoaktiven Polymerketten einzubetten. Die Grenzfläche zwischen beiden Komponenten erstreckt sich hierbei über die gesamte Schicht. Daher wird dieser Aufbau als „Bulk-Hetero-Kontakt“ bezeichnet. Nach der Ladungstrennung befinden sich die Elektronen und die Löcher in unterschiedlichen molekularen Systemen, die sie dann selektiv zu den einander gegenüber liegenden Elektroden transportieren.
Das Problem ist, dass die beiden Materialien nicht gleichmäßig verteilt sind. Die Wegstrecken für die Ladungen sind daher ungeordnet, sodass Löcher und Elektronen leicht aufeinander treffen können. Zudem treten ladungsisolierte Inseln auf. Die Lösung wäre ein „geordneter Bulk-Hetero-Kontakt“, eine periodische Struktur aus vertikal ausgerichteten ineinander ragenden Bereichen beider Materialien. Hier hätten Elektronen und Löcher gerade Wege, die sich nicht kreuzen. Allerdings ließ sich bisher keine effektiv arbeitende Photoschicht nach diesem Prinzip herstellen, da die Komponenten nicht molekular vermischt sind und die Wege für die Elektronen damit zu weit, um eine effektive Ladungstrennung zu gewährleisten.
Die taiwanesischen Forscher hatten die Idee, beide Bauprinzipien miteinander zu kombinieren. Mit einem Nano-Gussverfahren stellten sie eine Schicht vertikal geordneter Nanostäbe aus einem quervernetzbaren polymeren Fulleren-Material her. Die Zwischenräume wurden mit einer Mischung aus einem photoaktiven Polymer und einem Fulleren aufgefüllt. Diese Schicht sorgt für eine effektive Ladungstrennung, die Verzahnung mit den Fulleren-Nanostäben für einen geordneten und damit effektiven Abtransport der Ladungen. Solarzellen mit dieser neuartigen Kombi-Photoschicht sind stabil und erzielen erstaunlich hohe Wirkungsgrade.
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