Nürnberger Forscher haben ein neues organisches Halbleitermaterial entwickelt, das ohne Fullerene auskommt und trotzdem effizient und stabil ist. Fullerene sind kohlenstoffbasierte Nanopartikel, die aussehen wie ein Fußball. Insgesamt 60 Kohlenstoffatome sind in zwölf Fünfecken angeordnet und diese Fünfecke sind wiederum jeweils miteinander verbunden. Die Fullerene sorgen bisher für die Stabilität und die Effizienz der organischen Halbleiter. Denn auf der einen Seite sind sie in der Lage, die durch die Photonen des einstrahlenden Sonnenlichts herausgelösten Elektronen aufzunehmen und ihnen eine hohe Beweglichkeit zu ermöglichen. Auf diese Weise sind sie für den Wirkungsgrad der organischen Solarzelle mit zuständig. Diese hohe Beweglichkeit sorgt aber auch dafür, dass die Elektronen für potenzielle Reaktionspartner quasi unsichtbar sind. Damit sind die Zellen weniger anfällig gegenüber Umwelteinflüssen und bleiben so stabiler.
Die Fullerene haben aber auch Nachteile. Auf der einen Seite leiten sie die Elektronen nur auf einem energetisch niedrigem Niveau. Das ist zwar gut für die Stabilität der Solarzelle, aber schlecht für ihre Leerlaufspannung. Zudem absorbieren die Fullerene nur wenig Sonnenlicht. Sie sorgen zwar durch die sichere Weiterleitung der Elektronen für eine gute Grundeffizienz. Doch behindern sie gleichzeitig höhere Wirkungsgrade mit dem gleichen Halbleitermaterial.
Das Ziel: Mehr als zehn Prozent Effizienz
Bisher hat nur das IMEC in Belgien solche organischen Solarzellen ohne Fullerene hergestellt und damit einen Wirkungsgrad von 8,4 Prozent erreicht. Das ist aus dem Stand ein guter Wert. Doch die Forscher an der Friedrich-Alexander Universität Nürnberg-Erlangen haben mit ihrem Halbleitermaterial eine ähnlich hohe Effizienz erreicht. „Wir haben eine deutlich erhöhte Umweltstabilität an Luft, aber auch bei hohen Temperaturen von bis zu 140 Grad Celsius gemessen“, beschreibt Christopg Brabec vom Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften der FAU die Ergebnisse mit dem neuen Halbleitermaterial. „Und wir erwarten, aufgrund dieser Materialien stabilere Solarzellen mit über zehn Prozent Wirkungsgrad erreichen zu können.“ Denn das erforschte Polymermolekül absorbiere mehr Licht als die Fullerene, was die Effizienz in die Höhe treibt, ohne dass das Material an Stabilität verliert.
Entscheidender Schritt für die organische Photovoltaik
Damit sei ein entscheidender Schritt in der organischen Photovoltaik gelungen. Brabec bezeichnet die Ergebnisse als wesentlichen Meilenstein bei der Entwicklung von Photovoltaiktechnologien der nächsten Generation. Er und sein Team haben das Material zusammen mit Derya Baran vom Imperial College in London entwickelt. Außerdem waren noch Forscher der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien und der Stanford University in Kalifornien an der Entwicklung beteiligt. (Sven Ullrich)
