Wegweisende Grundlagenforschung
Wandeln bald Plastikfolien Lichtenergie in Elektrizität um?
Für ihre Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der organischen Solarzellen aus Kunststoff hat Dr. Ruth Lohwasser von der Universität Bayreuth kürzlich den ersten Preis bei den renommierten DSM Science & Technology Awards erhalten.
In ihrer Dissertation entwickelt sie materialwissenschaftliche Grundlagen für polymere Halbleiter und deren Strukturierung auf der Nanoskala, also in einer Größenordnung bis zu 100 Nanometern.
Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es, die Eigenschaften der als Halbleiter verwendeten Kunststoffe und die Funktionsweise der daraus gefertigten Solarzellen möglichst genau zu verstehen. Auf dieser materialwissenschaftlichen Basis lassen sich voraussichtlich neue Technologien entwickeln, die imstande sind, einen hohen Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzuwandeln. Zugleich bietet sich die Chance, kostengünstige Solarzellen in einfachen Druckverfahren herzustellen. Denn polymere Halbleiter sind sehr gut löslich und lassen sich aus Lösung verarbeiten.
Strukturelle Voraussetzungen für leistungsstarke Halbleiter
Organische Solarzellen sollen in der Lage sein, möglichst viel Lichtenergie zu absorbieren und eine möglichst große Menge davon als elektrischen Strom nach außen abzugeben. Wie lässt sich dieses Ziel mit polymeren Halbleitern erreichen? »Insbesondere dadurch, dass für den Transport von Elektronen und Löchern innerhalb der Solarzelle viele Bahnen bereitstehen«, sagt Dr. Ruth Lohwasser. »Elektronen sind negative Ladungsträger, als Löcher oder Defektelektronen werden die positiven Ladungsträger bezeichnet. Die Bahnen, auf die die gegensätzlichen Ladungen transportieren, müssen in Abständen von wenigen Nanometern verlaufen. So ist gewährleistet, dass die durch Lichtenergie angeregten Elektronen einen Stromkreislauf in Gang setzen.«
Die Bayreuther Chemikerin hat sich deshalb auf die Suche nach Materialien begeben, die sich in der geforderten Weise strukturieren lassen. Diese Strukturierung muss bereits auf der Nanoskala erfolgen. Denn an Grenzflächen in dieser Größenordnung trennen sich, sobald sie Lichtenergie absorbieren, negative und positive Ladungen – eine Voraussetzung dafür, dass Strom fließen kann. Je präziser sich also die Materialien auf der Nanoskala strukturieren lassen, desto genauer lässt sich die Erzeugung von Elektronen und Löchern steuern. Und desto genauer lassen sich auch die Eigenschaften der Transportbahnen einstellen, die die Ladungen zu den Elektroden der Solarzelle weiterleiten.
Welche Materialien erlauben eine derartige Feinstrukturierung? Als Mitglied eines Forschungsteams um Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, der im Rahmen des EU-Projekts LARGECELLS schon seit mehreren Jahren die organische PV vorantreibt, ist Dr. Ruth Lohwasser auf eine besondere Klasse von Makromolekülen aufmerksam geworden. Diese werden in der Forschung Blockcopolymere genannt und eignen sich unter bestimmten Voraussetzungen besonders gut zur Strukturierung auf der Nanoskala.
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