Flexibel, günstig, organisch

Displays aus organischen Materialien werden inzwischen häufig genutzt, Solarzellen hingegen selten. Die Dresdner InnoProfile-Transfer-Initiative Organische p-i-n Bauelemente hat deren Entwicklung einen großen Schritt voran gebracht.

Die Idee klingt vielversprechend: großflächige, flexible, sehr dünne und energieeffiziente Bauteile wie Solarzellen kostengünstig zu produzieren. Doch die Tücke liegt im Detail. So bestehen organische Solarzellen aus mehreren Schichten verschiedener Materialien, deren Eigenschaften genau aufeinander abgestimmt sein müssen, damit sie effizient und haltbar sind. Erst kürzlich haben internationale Forscher mit organischen Solarzellen einen Wirkungsgrad von über 17 Prozent erreicht. Das ist ein neuer Rekord. Dennoch liegt die konventionelle Photovoltaik mit einem maximalen Wirkungsgrad von über 26 Prozent weiterhin vorn.

Weniger Verluste

Doch die Dresdner sind von der Zukunftsfähigkeit organischer Solarzellen und anderer organischer Bauelemente überzeugt. Deshalb haben die Physiker und Chemiker in den letzten acht Jahren gemeinsam mit ihren Unternehmenspartnern Heliatek und Novaled an der Entwicklung neuer organischer Halbleitermaterialien gearbeitet.

So haben sie beispielsweise neuartige organische Verbindungen synthetisiert, die im nah-infrarot Spektralbereich Licht absorbieren, um das Sonnenspektrum besser ausnutzen zu können. Mithilfe dieser neuen Moleküle konnten die Wissenschaftler effiziente organische Solarzellen herstellen.

Winzige Solarzelle

Mit ihrer Forschung haben die Dresdner dazu beigetragen, solche winzigen organischen Solarzellen effizienter und damit zukunftsfähiger zu machen.

Siegmund et al., Nature Communications 8, 15421

Außerdem entwickelten die Forscher eine neue Methode, um Spannungsverluste zu minimieren, die durch den Schichtaufbau in organischen Solarzellen entstehen. Mit einer sehr dünnen Zwischenschicht aus speziellen organischen Molekülen konnten sie die bisher niedrigsten Spannungs- und damit Energieverluste in organischen Solarzellen erreichen.

Höhere Effizienz

Organische Solarzellen bestehen zum großen Teil aus Kohlenwasserstoffverbindungen, also Kunststoff, und sind aus mehreren Schichten aufgebaut. Um die Photonen aus dem Sonnenlicht in Energie umzuwandeln, gibt es häufig eine Kombination aus sogenannten Donator- und Akzeptormolekülen: den Elektronen abgebenden und aufnehmenden Schichten. Derzeit basieren effiziente organische Solarzellen auf Fullerenen als Elektronenakzeptoren. Diese absorbieren das Sonnenlicht jedoch schlecht und sind aufwendig herzustellen. Die Dresdner haben nun eine Donator-Akzeptor-Kombination mit Nicht-Fullerenen gefunden, mit der sie eine Lichtumwandlungseffizienz von über 80 Prozent erreichen konnten.

Aussichtsreiche Ideen

Neben Solarzellen haben sich die Forscher auch mit anderen elektronischen Bauteilen beschäftigt. So stellten sie ein Miniatur-Spektrometer aus organischen Materialien für die Infrafrot-Detektion her. Es ist das weltweit kleinste existierende Spektrometer dieser Art. Um die neuartigen Instrumente zu vermarkten, gründeten die Dresdner die Senorics GmbH aus.

Spektrometer

Dieses Miniatur-Spektrometer haben die Dresdner Wissenschaftler aus organischen Materialien hergestellt. Es ist das weltweit kleinste seiner Art und wird nun vermarktet.

Tang et al., Advanced Materials 29, 1702184

Ihre Ergebnisse hat das Team um Professor Koen Vandewal in den letzten vier Jahren in 35 Fachartikeln veröffentlicht und einige der Erkenntnisse patentiert. Der belgische Wissenschaftler geht nun in seine Heimat zurück, seine Nachfolgerin steht jedoch schon in den Startlöchern. So werden die Physiker und Chemiker wohl auch künftig an diesen vielversprechenden Themen arbeiten.