Das Grundprinzip ist einfach, aber im Detail gibt es noch viele Fragen zu den grundlegenden Prozessen: Der Dreh- und Angelpunkt ist zunächst die chemische Synthese. Anders als bei Siliziumsolarzellen, bei denen man es im Prinzip mit einem einzigen Element zu tun hat, bietet die organische Chemie eine unglaublich große Vielfalt.
Täglich synthetisieren die Chemiker in den Forschungslaboren neue Moleküle oder verändern sie gezielt in Absprache mit Physikern, die anschließend die physikalischen Prozesse untersuchen. Diese Substanzen und ihre Strukturen bieten oft einen sehr ästhetischen Anblick und erinnern dabei unter anderem an Fußbälle (Fullerene), lange Ketten (Polymere) oder Äste (Dendrimere). Geeignete Moleküle zu finden und herzustellen, ist aber erst der Anfang. Die Materialien für die verschiedenen Schichten müssen in vielen Aspekten gut zusammenpassen, damit Elektronen und Löcher tatsächlich getrennt und abgeleitet werden können.
Absorptionsstark und trennscharf
Erstens muss die fotoaktive Schicht genügend Licht einfangen können, das heißt, es müssen möglichst viele Elektron-Loch- Paare gebildet werden. Dazu bedarf es sowohl sehr stark absorbierender Materialien als auch transparenter Materialien für die Transportschichten und für die Elektroden, damit diese kein Licht wegschlucken.
Zweitens müssen sich die Stoffe gut aufbringen lassen, das heißt verdampfbar oder löslich sein. Die Schichten sollten dabei möglichst eben werden. Und es müssen Mittel und Wege gefunden werden, dass möglichst viele Grenzflächen für eine effektive Trennung des Elektronen-Loch-Paares in der fotoaktiven Schicht entstehen. Entscheidend dabei ist, dass die Trennung nur dann stattfinden kann, wenn das Paar möglichst schnell eine nahe gelegene Grenzfläche findet.
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Drittens müssen Elektronen und Löcher auch wirklich zu ihren jeweiligen Elektroden abgeleitet werden. Das ist eine große Herausforderung für den Herstellungsprozess. Um immer eine trennende Grenzfläche in der Nähe zu haben, werden die zwei Materialien in der absorbierenden Schicht meist gemischt. Dennoch sind durchgängige Pfade notwendig: Die Phasen sollten keine „Sackgassen“, sondern eher lange „Tunnel“ bis zur jeweiligen Elektrode bilden. Sonst finden Elektron und Loch wieder zusammen und es entsteht Wärme statt Strom.
Theoretische Betrachtungen sagen für eine einfache organische Solarzelle Effizienzen von über zehn Prozent voraus, wenn man zwei Solarzellen stapelt von über 15 Prozent. So können trotz der komplexen Prozesse recht gute Wirkungsgrade erwartet werden.
Immun gegen „Sonnenbrand“
Und schließlich ist eine der für die praktische Anwendung wichtigsten Fragen die nach der Lebensdauer der Solarzelle. Die Kraft des Sonnenlichts ist nämlich nicht nur in der Lage, Elektronen anzuregen, sondern auch die Moleküle zu zerstören, ganz ähnlich einem Sonnenbrand. Die Folge ist eine abnehmende Leistungsfähigkeit der Solarzelle, wobei in letzter Zeit von ermutigenden Ergebnissen mit Lebensdauern von über zehn Jahren berichtet wurde.
Wenn nun alle Prozesse effektiv und stabil ablaufen, arbeitet die Solarzelle lange und mit einem hohen Wirkungsgrad. Trotz aller noch zu meisternden Herausforderungen bieten organische
Solarzellen also insgesamt sehr sonnige Aussichten.
Prof. Dr. Karl Leo, Dr. Annette Polte, Dr. Moritz Riede/ IAPP TU Dresden / DFG Forschung Spezial
Stand: 10.09.2010
