Organische Solarzellen

Organische Solarzellen, d. h. Photovoltaik auf der Grundlage von organischen Halbeitern, sollen in Zukunft hier neue Wege und Möglichkeiten eröffnen. Seit gut zehn Jahren wird auf diesem Gebiet intensiv geforscht.¹ Ihre Entwicklung ist eng an die Entdeckung halbleitender Polymere und deren Anwendung in Polymerleuchtdioden (OLEDs) gekoppelt. Mit bis zu fast acht Prozent Wirkungsgrad steckt die Technik der organischen Solarzellen, im Vergleich zu anorganischen Halbleitern, derzeit aber noch in den Kinderschuhen. Da die Herstellung dieser synthetischen Solarmodule jedoch wesentlich günstiger und einfacher ist, besteht ein hohes Interesse seiten der Industrie und die ersten Anwendungen sind bereits auf dem Markt erhältlich. Transparenz, Flexibilität und geringes Gewicht, in der klassischen Solartechnik bislang unbekannte Eigenschaften, machen ein breites Anwendungsspektrum zugänglich. Die denkbaren Einsatzgebiete sind nahezu unbegrenzt: Solarzellen auf Zeltplanen, im Autolack, in Textilgewebe integriert, solaraktive Dachziegel und vieles mehr.

[1] G. Yu, C. Hummelen, F. Wudl, J. Heeger, Science, 1995, 270, 1789.

Klassische Photovoltaik auf Basis von anorganischen Halbleitern

Unter dem Begriff Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Licht, in der Regel Sonnenlicht, in Gleichstrom. Klassische Solarzellen sind vom Prinzip her den Photodioden sehr ähnlich. Mittels p-n-Übergang erreicht man unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts eine temporäre Ladungstrennung: Trifft ein Photon auf die aktive Schicht einer Solarzelle, so gibt es seine Energie an ein dort gebundenes Elektron ab, welches dadurch nicht aus dem Material herausgeschlagen, sondern lediglich auf ein höheres Energieniveau angehoben wird. Es entstehen dadurch Elektron-Loch-Paare, die sogenannten Excitonen. Dem Bändermodell entsprechend werden die Elektronen vom Valenzband in das sog. Leitungsband angehoben. Die Elektronen sind darin frei beweglich (delokalisiert), wohingegen die positiv geladenen Fehlstellen (Löcher) im Valenzband zurückbleiben.

Im unbestrahlten Zustand wandern am p-n-Übergang Elektronen und Löcher in Richtung geringerer Konzentration. Das hierbei entstehende elektrische Feld der Atomrümpfe wirkt entgegengesetzt zum Diffusionsstrom der freien Ladungsträger, solange bis ein Gleichgewicht entsteht. Bei Bestrahlung mit entsprechender Wellenlänge entstehen nun weitere Ladungsträger (Excitonen). Die Elektronen beispielsweise werden von den positiven Atomrümpfen angezogen, wandern also in Richtung n-Halbleiter. Es entsteht ein Strom in Sperrrichtung der Diode, der sofern die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren nicht zu rasch abläuft, von einem Verbraucher abgegriffen werden kann.

Bei der organischen Solarzelle läuft die Ladungsseparierung i. a. nicht freiwillig ab. Im Unterschied zu dem hier gezeigten p-n-Übergang, und dem damit verbundenen Diffusionsstrom, muss bei der Polymersolarzelle eine äußere Kraft die Excitonen auseinander ziehen. Erst dadurch entsteht elektrische Spannung, die vom Verbraucher abgegriffen werden kann.

Konzept der organischen Solarzelle

Mit der Entdeckung halbleitender Polymere wurde der Grundstein zur Entwicklung organischer Solarzellen gelegt.¹ Ein wichtiger Unterschied zu den anorganischen Vorreitern liegt in den schwachen Ladungstransporteigenschaften der organischen Moleküle, welche trotz vollständiger Konjugation über weite Bereiche hinweg keineswegs die Bedingungen für ein Leitungs- und Valenzband, wie sie bei Metallen und Halbmetallen anzutreffen sind, erfüllen. HOMO und LUMO des organischen Moleküls rücken zwar durch die vorliegende Konjugation nahe zusammen, dennoch liegen keine vollständig freien Ladungsträger vor. Die Elektronen sind noch relativ stark an die Atomrümpfe gebunden und es kommt nur bedingt zur Ausbildung der für Leiter charakteristischen Bänder, was maßgeblich die Effizienz bisheriger org. Solarzellen limitiert hat.² Jedoch gibt es zahlreiche Vorteile, die den genannten negativen Aspekt, aufwiegen können. So weisen organische Moleküle und Polymere z.B. besonders gute Absorptionseigenschaften auf: 1. kann die Wellenlänge des Absorptionsmaximums optimal durch chemische Strukturänderungen an das Spektrum von Sonnenlicht angepasst werden und 2. ermöglicht der i.d.R. sehr hohe Extinktionskoeffizient von organischen Materialien starke Absorption bei Schichtdicken kleiner als 100 nm, wodurch die Zellen ultraleicht und flexibel werden.³

Die erste organische Solarzelle, eine Monoschicht-Zelle (engl. single layer solar cell), beruhte auf einem Sandwich-Bauprinzip, bei dem sich die photoaktive Schicht zwischen zwei Metallelektroden mit unterschiedlichem Potenzial befand.⁴ Diese Potenzialdifferenz wurde dazu benötigt, die entstehenden Elektron-Loch-Paare zu separieren. Da die Ladungsträger im organischen Material weit stärker lokal gebunden sind, als es bei den anorganischen Gegenstücken der Fall ist, muss hierfür eine externe Kraft aufgebracht werden. Die Energieausbeute für diesen Typ Solarzelle war nur gering und lag für Merocyanine bei weit unter 1%.⁵ Als effektive Weiterentwicklung dessen, gilt die Zweischicht-Heterokopplungs-Zelle (engl. bilayer heterojunction solar cell), bei welcher zwei organische Komponenten, eine zuständig für den Lochtransport, eine für die Leitung der Elektronen, in dünnen Schichten zwischen die beiden Metall- bzw. Metalloxid-Elektroden geschaltet wurden. Dieses Konzept lieferte Energieausbeuten von ca. 1%.⁶ Erst Jahrzehnte später gelang es Hiramoto et al. durch das Konzept der Tandem-Zellen, zwei übereinander geschaltete Zweischicht-Systeme, deutlich die Energieausbeute anzuheben.⁷ Nachdem entdeckt wurde, dass C­₆₀-Fullerene - die Fußballmoleküle -  hervorragende Elektronentransfereigenschaften aufweisen, wurde dieses Material erfolgreich in den beiden Solarzellentypen Polymer-Fulleren Zweischicht-Heterokopplungs-Zelle⁸ und Mischphasen-Heterokopplungszelle (engl. bulk heterojunction solar cell),⁹ eingesetzt. Mit diesem Konzept wurde vor kurzem (Stand: Juli 2010) eine Tandemsolarzelle mit einem Rekord-Wirkungsgrad von fast 8% erreicht.

[1] G. Hadziioannou, P.F. van Hutten, Semiconducting Polymers, VCH Wiley, 2000.
[2] C.D. Dimitrakopoulos, D.J. Mascaro, J. Res. Dev., 2001, 45, 11.
[3] H. Hoppe, N. Sariciftci, J. Mater. Res., 2004, 19, 1924.
[4] D. Wöhrle, D. Meissner, Adv. Mater., 1991, 3, 129.
[5] A.K. Gosh, T. Feng, J. App. Phys., 1978, 49, 5982.
[6] C.W. Tang, Appl. Phys. Lett., 1986, 48, 183.
[7] M. Hiramoto, M. Suezaki, M. Yokoyama, Chem. Lett., 1990, 19, 327.
[8] L.S. Roman, W. Mammo, L.A.A. Petterson, Adv. Mater., 1998, 10, 774.
[9] C.Y. Yang, A.J. Heeger, Synth. Met., 1996, 83, 85.

Fazit

Durch weitere Optimierung der organischen Halbleiter und durch eine kontrollierte Morphologie im Nanometerbereich, sollten schon bald organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 10% machbar sein und damit eine günstige Alternative zu den klassisch-anorganischen Vorreitern darstellen.