Röntgenblick in die gedruckte Kunststoff-Solarzelle Herstellungsprozess in Echtzeit beobachten

Stephan Pröller und Dr. Eva M. Herzig besprechen sich am Drucker für Solarzellen.
Stephan Pröller und Dr. Eva M. Herzig besprechen sich am Drucker für Solarzellen.

Wie lässt sich die Leistung von Kunststoff-Solarzellen aus dem industriellen Drucker verbessern? Einer Antwort auf diese Frage sind Forscher der TU München nun einen Schritt näher gekommen. Ihnen ist es gelungen, den Herstellungsprozess in Echtzeit zu verfolgen - auf Molekularebene!

Organische Photovoltaik gilt als eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen aus Silizium. Ihr Vorteil liegt auch in der Herstellung: Sie können als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt und an den unterschiedlichsten Orten unkompliziert angebracht werden. Ihr größter Nachteil: der niedrigere Wirkungsgrad gegenüber den Silizium-Solarzellen.

Die Anordnung der molekularen Bausteine des Materials spielt eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung. Wie bei der klassischen Silizium-Solarzelle müssen auch in der organischen Variante freie Elektronen erzeugt werden. Kunststoff-Solarzellen benötigen dafür zwei Materialtypen: den Elektronendonator, der Elektronen abgibt, sowie den Elektronenakzeptor, der diese wieder aufnimmt. Diese beiden Materialien müssen eine möglichst große Grenzfläche zueinander aufweisen, um Licht in Strom umzuwandeln. Wie genau sich die Moleküle beim Drucken der Solarzellen zueinander anordnen und wie die Kristalle während des anschließenden Trocknungsvorgangs wachsen, ist noch unbekannt.

Könnte die Anordnung der Bausteine auf Molekularer Ebene gezielt beeinflusst werden, ließe sich der Wirkungsgrad der Kunststoff-Solarzelle steigern.

Moleküle sichtbar gemacht

Um zu verstehen, was auf molekularer Ebene während des Herstellungsprozesses passiert, nutzte Stephan Pröller, Doktorand an der Munich School of Engineering der TU München, in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, Röntgenstrahlung. Dabei identifizierte er verschiedene Phasen, die beim Trocknen des Films ablaufen.

Zu Beginn verdampft das Lösungsmittel; dadurch erhöht sich die Konzentration der Kunststoff-Moleküle im noch feuchten Film stetig. Ab einer gewissen Konzentration beginnt das Elektronendonator-Material zu kristallisieren; die Moleküle des Elektronenakzeptors bilden Aggregate. Während sich die Elektronendonator-Kristalle schnell vergrößern, schieben sich auch die Elektronenakzeptor-Aggregate weiter zusammen. Dieser Prozess legt die Abstände der Grenzflächen zwischen den beiden Materialien fest, welche entscheidend für den Wirkungsgrad sind. Um die Solarzellen zu verbessern, muss daher bei diesem Prozessschritt angesetzt werden. In der letzten Phase finden noch Optimierungsprozesse innerhalb der jeweiligen Materialien statt, wie die Verbesserung der Packungsdichte in den Kristallen.

Laut Pröller spielt die Geschwindigkeit der Herstellung eine wichtige Rolle. Zwar bliebe der Ablauf bei schnelleren Trocknungsvorgängen gleich, allerdings beeinflussen die von den Materialien gebildeten Aggregate und Kristalle den weiteren Verlauf der Strukturbildung. Eine langsamere Strukturbildung wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Solarzellen aus.

Die gewonnen Kenntnisse der Abläufe sollen nun genutzt werden, um gezielt mit weiteren Parametern die Kontrolle über die Anordnung der Materialien zu bekommen. Im letzten Schritt sollen die Ergebnisse in die industrielle Herstellung übertragen und diese damit optimiert werden.

Ihre Erkenntnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachpublikation »Advanced Energy Materials«.