Ein Forscherteam aus Taiwan und China stellt ein neues Konzept für langlebige organische Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad vor. Die Wissenschaftler entwickelten ein Prinzip, die Ladungsträger in der Solarzelle effektiv zu trennen und auf geradem Weg an die jeweiligen Elektroden zu leiten. Nanodrähte aus einem quervernetzbaren polymeren Fulleren sorgen für einen geordneten Abtransport der Ladungen. Die Drähte sind umhüllt von einer Mischung aus photoaktiven Polymeren und einem Fulleren. Diese Schicht verhindert die Rekombination der Elektronen mit den positiv geladenen Fehlstellen – den sogenannten „Löchern“ – auf dem Weg zur Elektrode. Mit dem jetzt im Magazin Angewandte Chemie vorgestellten Konzept erreichen die Forscher einen Wirkungsgrad von 7,3 Prozent, der für organische Solarzellen sehr hoch ist.
Weg der Ladungsträger verkürzen
Die schnelle Trennung der Ladungsträger und deren Abführung zu den Elektroden bestimmen den Wirkungsgrad einer Solarzelle. Bisher war gerade die Rekombination der Ladungsträger ein Problem bei organischen Solarzellen. Das versuchte man zu verhindern, indem man so genannte Akzeptoren wie Fullerene dazu gab, die die Elektronen aufnehmen. Fullerene sind langkettige sphärische Kohlenstoffmoleküle, in denen mindestens zwanzig Kohlenstoffatome aneinander gebunden sind. Diese Akzeptormoleküle wurden in einer ungeordneten Matrix in die photoaktive Schicht eingebracht und erstreckten sich über die gesamte Schicht. Damit sind die Elektronen und die Löcher nach der Ladungstrennung in unterschiedlichen molekularen Systemen, so dass eine Rekombination verhindert wird. Allerdings sind dadurch die Wege der Ladungen zu den Elektroden ungeordnet, so dass Löcher und Elektronen wieder aufeinander treffen können. Außerdem entstehen durch die ungeordnete Struktur ladungsisolierte Inseln. Bisherige Versuche, eine geordnete Struktur der Akzeptor- und der photoaktiven Schicht herzustellen, scheiterten daran, dass die beiden Komponenten nicht molekular vermischt und die Wege für die Elektronen damit zu weit sind, um eine effektive Ladungstrennung zu gewährleisten.
Dieses Problem lösten die Wissenschaftler aus Taiwan und China, indem sie mit den Nanodrähten eine periodische Struktur aus vertikal ausgerichteten ineinander ragenden Bereichen beider Materialien herstellten. Die Elektronen und die Löcher haben kurze weil gerade Wege, die sich nicht kreuzen. (Sven Ullrich)