Organische Elektronik Solarstrom aus Plastikfolien

Flexibel, leicht, kostengünstig in der Herstellung - das sind die Attribute einer neuen Solarzellen-Generation. Insbesondere für Anwendungen im Konsum- oder Automotive-Bereich eröffnet die Organische Photovoltaik neue Perspektiven, da sich organische Solarzellen mittels einfacher Druck- und Beschichtungsprozesse auf nahezu beliebig geformten Oberflächen aufbringen lassen.

Plastik - das klingt sehr alltäglich und vor allem billig. Doch die Forschung hat Großes mit neuartigen Kunststoffen vor: Plastikfolien sollen künftig zur Energieversorgung beitragen. Preiswerte Solarzellen aus organischen Halbleitern werden vielfach als High-Tech-Alternative zu den inzwischen weitgehend in Asien hergestellten anorganischen Solarmodulen diskutiert. Was zunächst wie ein Widerspruch klingt - preiswert und dennoch High-Tech -, ist ein hochinteressantes Forschungsgebiet.

Aufbau der organischen Solarzelle

Das Bild 1 zeigt den Aufbau einer typischen organischen Solarzelle. Eine lichtabsorbierende Schicht wird zwischen zwei Elektroden eingebracht. Mindestens eine der beiden Elektroden muss transparent sein, damit das Sonnenlicht in das Bauelement hinein gelangen kann. Die zweite Elektrode wird in aller Regel reflektierend (z.B. Aluminium oder Silber) ausgelegt, so dass das nach dem Durchgang durch die Solarzelle nicht absorbierte Sonnenlicht noch ein zweites Mal das Bauelement durchlaufen muss und sich somit die Absorption erhöht.

Die Verwendung einer zweiten transparenten Elektrode führt hingegen zu einer teilweise durchsichtigen Solarzelle [1]. Letztere findet ihren Einsatz bei der Integration in Fenster oder Gebäudeabschattungen. Zusätzlich werden oftmals funktionale Schichten für den Transport der photo-generierten Ladungsträger zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und den Elektroden integriert, um die Extraktion der Ladungsträger zu verbessern.

Konjugierte Polymere

Ausgangsstoffe der lichtabsorbierenden Schichten innerhalb der organischen Solarzellen sind langkettige, halbleitende Kohlenwasserstoff-Verbindungen - zumeist sogenannte konjugierte Polymere. Diese zeichnen sich durch delokalisierte π-Elektronen entlang des Polymerstrangs aus. An die Stelle von Valenz- und Leitungsband eines anorganischen Halbleiters treten das Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) und das Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO), die aus der Überlappung der Kohlenstoff-Atom-orbitale entstehen und zu einer gewissen Leitfähigkeit führen. Wenngleich die mikroskopische Ursache für die halbleitenden Eigenschaften der organischen Materialien eine andere ist als für die anorganischen Halbleiter, so lassen sich die makroskopischen Eigenschaften doch weitgehend analog beschreiben.

Prominentester Vertreter der halbleitenden und lichtabsorbierenden Polymere und zugleich Arbeitspferd der Forscher in den letzten Jahren ist das Poly-Hexylthiophen. Während diese erste Material-Generation die Herstellung von Laborsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 5 Prozent erlaubte, zeigen Solarzellen aus neu entwickelten Polymeren heutzutage Wirkungsgrade bis zu 10 Prozent [2].

Hierbei wird ein entscheidender Vorteil der organischen Halbleiter gegenüber den klassischen anorganischen Halbleitern deutlich: Polymere und andere organische Materialien lassen sich durch meist kleine Modifikationen in der Molekülstruktur bzw. der Molekülsynthese so verändern, dass ihre optoelektronischen Eigenschaften sehr genau zu den Zielvorgaben bestimmter Anwendungen passen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Farben der Photovoltaikmodule realisieren - ein wichtiger Parameter bei der architektonischen Gestaltung von Fassaden.

Lichtkonversion

Organische Moleküle können einen vergleichsweise hohen Absorptionskoeffizienten aufweisen. In der Regel wird das Sonnenlicht bereits in den ersten 100 bis 200 nm der photoaktiven Schicht absorbiert, so dass die teilweise aufwendig zu synthetisierenden Materialien sehr sparsam eingesetzt werden können. Mit einem Gramm eines Polymers lassen sich so bis zu 10 m² photoaktive Schicht herstellen. Neben einem großen Kostenvorteil durch den geringen Materialeinsatz sind die Solarzellen damit sehr leicht und somit für mobile Anwendungen geeignet.

Genauso unterscheidet sich auch die mikroskopische Funktionsweise organischer Solarzellen von der klassischer Photovoltaikmodule. Entscheidend für die Absorption des Lichtes sind in aller Regel lichtabsorbierende Polymere. Wie in Bild 2 gezeigt, wird bei der Absorption eines Photons ein Elektron-Loch-Paar auf dem Polymer erzeugt (1). Die beiden entgegengesetzten Ladungen sind mit einer Bindungsenergie EB ≈ 0,3 eV elektrostatisch aneinander gebunden, so dass eine Trennung der Ladungsträger allein durch die allgegenwärtige thermische Energie nahezu ausgeschlossen ist.

Um die gebundenen Ladungsträger voneinander zu trennen, werden starke Akzeptormoleküle wie Fulleren-Derivate (x-C60) in das Polymer hinein gemischt. Das Elektron wird auf das Fulleren übergehen (2), wenn die Bindungsenergie kleiner ist als die freiwerdende Energie beim Übergang des Elektrons auf das Fulleren. Nachdem die beiden Ladungen voneinander separiert wurden, können Elektronen und Löcher über die jeweiligen Materialdomänen zu den Elektroden abgeführt werden (3).

Entscheidend ist dabei die Größe der Materialdomänen: Sind die Domänen zu groß, so rekombinieren die photogenerierten Ladungsträgerpaare, bevor sie eine Grenzfläche erreichen und getrennt werden können. Sind die Domänen zu klein, so wird der Transport der Ladungsträger zu den Elektroden behindert und somit die Leistungsfähigkeit der Solarzellen reduziert. Daher müssen die Herstellungsparameter bei der Produktion der Solarzellen und bei der Abscheidung der lichtabsorbierenden Schichten sehr genau eingehalten werden, damit das Gemisch der verschiedenen Phasen genau die richtige Morphologie ausbildet.