Defektlandschaft in organischen Solarzellen aufgeschlüsselt

Forscher des Lehrstuhls Optik und Photonik kondensierter Materie (Carsten Deibel) der Technischen Universität Chemnitz und weiterer Partnerinstitutionen arbeiten derzeit gemeinsam intensiv an Solarzellen aus neuartigen organischen Halbleitern. Diese sollen sich mit etablierten Druckverfahren oder effizienten thermischen Aufdampfverfahren herstellen lassen. Um diese Klasse von photovoltaischen Bauelementen grundlegend zu verstehen und weiterzuentwickeln, verfolgen die Wissenschaftler einen stark interdisziplinären Ansatz und kooperieren im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsgruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“ und des von der Europäischen Union finanzierten Marie-Skłodowska-Curie-Promotionsnetzwerks EIFFEL.

Hier wird die Expertise aus der Chemie und den Material­wissenschaften sowie der Physik und Mathematik mit der Drucktechnik zusammen­gebracht. „Im Hinblick auf die Entwicklung ressourcen­effizienter erneuerbarer Energien ist die Relevanz der Forschung an organischer Photo­voltaik, die mit hohem Durchsatz bei Raum­temperatur verarbeitet werden kann, sehr hoch“, so Deibel, der auch Sprecher der Forschungs­gruppe POPULAR ist. „Organische Halbleiter sind sehr gute Licht­absorber, so dass die licht­absorbierende Schicht in Solarzellen um den Faktor 1000 dünner ist als bei kristallinen Silizium-Solarzellen“, sagt der Chemnitzer Physikprofessor.

Im Gegensatz zu letzteren seien organische Solarzellen jedoch nicht hochgeordnet, sondern ungeordnet. „Für den Transport der Elektronen und Löcher, die in organischen Halbleitern durch das Sonnenlicht erzeugt werden, bedeutet das, dass sie sich nicht auf einer Autobahn bewegen, sondern auf einer holprigen Straße mit vielen Fallen, die Elektronen oder Löcher einfangen und zu einem langsameren, aber nicht geringeren Stromfluss führen“, erläutert Deibel. Eine Möglichkeit, diese energetische Landschaft zu beschreiben, sei die Zustandsdichte.

Um den Ladungstransport in organischen Solarzellen besser zu verstehen, haben Deibel und seine Mitarbeiterin Maria Saladina gemeinsam mit Kollegen der Universität Nürnberg-Erlangen, des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien und der Heliatek GmbH in Dresden verschiedene Typen organischer Solarzellen hergestellt, analysiert und dabei erstmals die „elektronische Defekt­landschaft“ aufgedeckt. Dies ist das Ergebnis empfindlicher Messungen der Leerlauf­spannung der organischen Solarzellen – also der Spannung, die erzeugt wird, wenn kein Strom fließt, und die ein Maß dafür ist, wie viel Energie die photo­generierten Elektronen und Löcher haben.

Die Messungen erfolgten unter einem breiten Spektrum von Licht­intensitäten und Temperaturen. Die Auswertung der Daten ergab, dass die Zustands­dichte der organischen Solarzellen eine Form hat, die nicht – wie bisher angenommen – durch eine Gauß- oder Exponential­verteilung beschrieben werden kann, sondern durch ein Potenzgesetz. „Das bedeutet, dass im Gegensatz zu älteren Modellen kleinere Leerlaufspannungen in den Solarzellen in einem energetischen Bereich liegen, in dem es mehr Fallen gibt. Erfreulicherweise ist unter Arbeitsbedingungen organischer Solarzellen bei Raum­temperatur unter Sonnen­licht­einstrahlung die Leerlaufspannung höher und die Zustandsdichte enthält dort weniger Fallen“, so Saladina.

Obwohl die theoretische Beschreibung organischer Solarzellen aufgrund dieser neuen Erkenntnisse überdacht werden muss, gibt es kein grundsätzliches Hindernis für die Herstellung hocheffizienter organischer Solarzellen durch Druck- oder Aufdampf­technologien, schätzen die Autoren des Fachartikels ein. „Für uns steht fest, dass die ungeordnete Natur organischer Halbleiter für Solarzellen direkt mit den massen­produktions­tauglichen Herstellungs­möglichkeiten verknüpft ist“, sagt Deibel. Saladina ergänzt: „Wir haben erkannt, dass die Zustandsdichte, die die Prozesse des Ladungstransports und der Rekombination in organischen Solarzellen bestimmt, komplexer ist als bisher angenommen.“ Den damit verbundenen Herausforderungen wird sich auch die DFG-Forschungs­gruppe POPULAR und das Marie-Skłodowska-Curie-Promotions­netzwerk EIFFEL stellen.

TU Chemnitz / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Saladina et al.: Power-law density of states in organic solar cells revealed by the open-circuit voltage dependence of the ideality factor, Phys. Rev. Lett. 130, 236403 (2023); DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236403
• Optik und Photonik kondensierter Materie (C. Deibel), Technische Universität Chemnitz