Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung flexibler Solarzellen wird deutlich verbessert!

Kürzlich haben Forscher am Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Verbesserungen an den in ternären organischen Solarzellen (TOSC) verwendeten Materialien vorgenommen und dabei ähnliche Wirkungsgrade wie herkömmliche Solarzellen erreicht. Diese Forschung wurde in der Zeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht. Organische photovoltaische Solarzellen (OSC) sind eine Art Solarzelle, die Sonnenlicht mithilfe organischer Materialien, typischerweise kleiner Moleküle oder Polymere, in Elektrizität umwandelt, im Gegensatz zu herkömmlichen anorganischen Solarzellen, die kristallines Silizium oder andere anorganische Materialien verwenden.

Einer der Hauptvorteile organischer Solarzellen ist ihre Vielseitigkeit und ihr geringes Gewicht. Sie können mit lösungsbasierten Techniken wie dem Tintenstrahldruck zu geringeren Kosten hergestellt werden und ermöglichen flexible Rollen anstelle von starren Platten. Daher finden sie Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Sensoren, tragbaren Ladegeräten und tragbaren elektronischen Geräten. OSCs können auch halbtransparent oder farbig sein, was sie ästhetisch ansprechend macht und sich für die Integration in Gebäude, Fenster und andere Strukturen eignet.

Im Vergleich zu anorganischen Solarzellen weisen organische Solarzellen jedoch einen geringeren Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung (PCE) auf, den TOSC verbessern möchte. Standardmäßige binäre organische Solarzellen bestehen aus einem Donormaterial und einem Akzeptormaterial. TOSC unterscheidet sich jedoch, da es eine dritte Komponente enthält, die als „Gast“-Material bezeichnet wird.

Der Einschluss dieser Gastkomponente ist entscheidend für die Verbesserung verschiedener Aspekte der Solarzellenleistung, wie z. B. die Änderung des internen Energieflusses der Zelle und die Optimierung der Art und Weise, wie die Zelle Licht in Elektrizität umwandelt. Die Gastkomponente ist besonders wichtig für die Erhöhung des PCE, da sie das Lichtspektrum erweitern kann, das die Solarzelle absorbieren kann. Durch die Auswahl von Gastmaterialien, die Licht in Bereichen absorbieren, die nicht von den Donor- oder Akzeptormaterialien bedeckt sind, kann die gesamte Lichtabsorptionskapazität der Zelle verbessert werden. Es ermöglicht auch eine Feinabstimmung der Morphologie des gemischten Films und beeinflusst die Exzitonendissoziation, Ladungserzeugung und den Transport.

Da Gastkomponenten mehrere unterschiedliche Aktivitäten ausführen können, hat ihre genaue Position innerhalb des Solarzellen-„Sandwichs“ oder der Solarzellenmatrix erhebliche Auswirkungen auf die Leistung. Für die Gastkomponente gibt es drei mögliche Positionen: eingebettet im Donormaterial, eingebettet im Akzeptormaterial oder dispergiert an der Grenzfläche zwischen Donor und Akzeptor, wodurch legierungsartige Mischstrukturen (Aggregate) entstehen. Allerdings gab es bis vor kurzem relativ wenig experimentelle Überlegungen zur Position der Gastkomponente.

In ihrer Forschung verwendeten die Wissenschaftler eine Gastkomponente namens LA1 in TOSC, die sich von anderen Gastkomponentenmaterialien hinsichtlich der Kristallinität unterscheidet. LA1 ist ein Akzeptor für kleine Moleküle, und die Forscher modifizierten ihn mit einer Phenylalkyl-Seitenkette, einer funktionellen Gruppe, die häufig in organischen Materialien für Photovoltaiksysteme verwendet wird.

Die Modifikation von LA1 mit Phenylalkyl-Seitenketten erhöhte sowohl die Kristallinität als auch die Ausrichtung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ausreichenden Kompatibilität, was zu einer verbesserten TOSC-Leistung führte.

Darüber hinaus kontrollierten die Forscher die Verteilung der Gastkomponente, indem sie Variablen veränderten, die die Wechselwirkung zwischen Wirts- und Gastkomponente beeinflussen, wie etwa Wirt-Gast-Kompatibilität, Oberflächenenergie, kristalline Kinetik und intermolekulare Wechselwirkungen. Sie fanden in den meisten Gastmolekülen legierungsartige Aggregate, die in die gesamte Wirtsmatrix eindrangen und dort diffundierten.

Die Kristallitgröße dieser integrierten Wirt/Gast-„Legierungen“ konnte leicht angepasst werden, um den Ladungstransfer zu verbessern und die Ladungsrekombination zu unterdrücken, was zu einem anfänglichen PCE-Anstieg von über 15 % führte. Anschließend wurde durch die Kombination der Gastkomponente mit Akzeptoren der Y6-Serie als Hauptkomponente eine noch größere Effizienzsteigerung von über 19 % erreicht.

Die Forscher gehen davon aus, dass sie bedeutende experimentelle Erfolge erzielt haben. In Zukunft ist jedoch ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Faktoren für diese Vorteile erforderlich. Sie erhoffen sich einen tieferen Einblick in diese grundlegenden Systeme.

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