Ein interdisziplinäres Forscherteam von Chemikern, Physikern und Mathematikern hat zum ersten Mal hochauflösende dreidimensionale Bilder vom Inneren einer polymeren Solarzelle erzeugt. Dies liefert wichtige neue Informationen über die Nanostruktur von polymeren Solarzellen und deren Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der Zellen. Diese Ergebnisse wurden in der Onlineausgabe der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.
Polymere Solarzellen gelten als die Solarzellen der Zukunft. Sie können sehr schnell und einfach produziert werden und lassen sich sogar ähnlich wie Zeitungen im so genannten Rollenvordruck erzeugen, was sie billig macht. Zusätzlich sind die solaren Stromproduzenten biegsam und flexibel, wie eine Folie können sie in Fahrzeugen oder sogar an Kleidung angebracht werden. Der große Nachteil aber ist der extrem niedrige Wirkungsgrad. Nur magere zwei Prozent der Energie des Sonnenlichts wird in elektrische Ladungen umgewandelt.
Metalloxid-Polymer-Mischung soll Effizienz verbessern
Um dies zu ändern arbeiten Forscher an Verbesserungen, unter anderem durch neue Kombinationen von Grundmaterialien. In Hybrid-Solarzellen, die aus einer Mischung von zwei verschiedenen Materialien bestehen, werden beispielsweise ein Polymer und ein Metalloxid verwendet, um elektrische Ladungen an den Phasengrenzen zu erzeugen, wenn das Material von der Sonne beschienen wird.
Der Vermischungsgrad dieser beiden Materialien ist dabei ein entscheidender Faktor für die Effizienz. Eine sehr starke Vermischung vergrößert die Phasengrenzen, was die Entstehung von elektrischen Ladungen verbessert. Gleichzeitig erschwert es aber den Abtransport der Ladungen. Vermischen sich die beiden Materialien hingegen kaum, wird genau der gegenteilige Effekt beobachtet. Die sehr unterschiedliche chemische Natur von Polymeren und Metalloxiden bereitet Schwierigkeiten, die Nanostruktur zu kontrollieren und zu visualisieren.
Hochaufgelöste 3D-Bilder enthüllen Nanostruktur
Jetzt ist es einem Team von Wissenschaftlern der TU Eindhoven und der Universität Ulm gelungen, erstmals 3D-Bilder herzustellen, die einen direkten und hochauflösenden Einblick in die Nanostruktur der Solarzellen ermöglichen. Mit Hilfe der 3D-Elektronentomographie erreichte das Forscherteam eine bisher nicht erreichte Detailgenauigkeit. Die dreidimensionalen Bilder erlaubten es den Wissenschaftlern des Instituts für Stochastik der Universität Ulm erstmals, geometrische Kenngrößen der Nanostruktur mit der Leistungsfähigkeit der Solarzellen zu korrelieren.
Getestet wurde die neue Bildgebung und Korrelation an polymeren Solarzellen neuen Typs, die von Forschern der TU Eindhoven entwickelt worden sind. Sie erzeugen hybride Solarzellen, indem sie eine Substanz verwenden, die sich gut mit dem Polymer mischt und dann anschließend das gewünschte Metalloxid liefert. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine bessere Vermischung, was dazu führt, dass bis zu 50 Prozent der absorbierten Photonen als elektrische Ladungen an einen externen Stromkreislauf abgegeben werden können.
Gezieltere Optimierung der Struktur möglich
Noch allerdings konnte auch diese Solarzellen die zwei Prozent-Grenze nicht knacken. Doch mit Hilfe der neuen Bildgebung können die Wissenschaftler nun viel gezielter als zuvor die Nanostrukturen den der Solarzellen optimieren. Sie wollen dies unter anderem dadurch erreichen, dass sie die Morphologie der photoaktiven Schicht besser kontrollieren, indem zum Beispiel neue Polymere synthetisiert werden, die sich kontrollierter mit Metalloxid mischen lassen. Zusätzlich sollen neue Polymere oder Moleküle entwickelt werden, die einen größeren Anteil des Sonnenlichts absorbieren können. Erst wenn diese Probleme gelöst sind, werden die Vorteile von Hybrid- Solarzellen, also die niedrigen Herstellungskosten und die thermische Stabilität der Nanostruktur, vollständig zum Tragen kommen.
(Universität Ulm, 16.09.2009 – NPO)
