Durchbruch für das Verständnis des Ladungstransports in organischen Solarzellen
Forschungsarbeit unter Federführung der TU Chemnitz deckt elektronische Defektlandschaft in organischen Solarzellen auf und beschreibt Zustandsdichte dieser Solarzellen erstmals durch ein Potenzgesetz – Veröffentlichung in renommierter Fachzeitschrift Physical Review Letters
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Maria Saladina, Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie der TU Chemnitz, charakterisiert in einem Labor des Instituts für Physik organische Solarzellen. Foto: Jacob Müller
Forscherinnen und Forscher der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie (Leitung: Prof. Dr. Carsten Deibel) der Technischen Universität Chemnitz und weiterer Partnerinstitutionen arbeiten derzeit gemeinsam intensiv an Solarzellen aus neuartigen organischen Halbleitern, die mit etablierten Druckverfahren oder effizienten thermischen Aufdampfverfahren hergestellt werden können. Um diese Klasse von photovoltaischen Bauelementen grundlegend zu verstehen und weiterzuentwickeln, verfolgen die Wissenschaftlerinnen und 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 1.000 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.
Verblüffende Erkenntnis: Potenzgesetz beschreibt die Zustandsdichte organischer Solarzellen
Um den Ladungstransport in organischen Solarzellen besser zu verstehen, haben Deibel und seine Wissenschaftliche Mitarbeiterin Maria Saladina gemeinsam mit Kolleginnen und 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.
Publikation in Fachzeitschrift "Physical Review Letters" wurde als „Editors' Suggestion“ ausgezeichnet
Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" 130, 236403 (2023) veröffentlicht und das Manuskript wurde als „Editors' Suggestion“ ausgewählt. 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 Autorinnen und 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.
Hintergrund: DFG-Forschungsgruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“ unter Federführung der TU Chemnitz
Die mit rund fünf Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Forschungsgruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren – POPULAR“ (FOR 5387) ist führend auf dem Gebiet der optoelektronischen Charakterisierung von organischen Solarzellen. Prof. Dr. Carsten Deibel, Inhaber der der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie der TU Chemnitz, ist Sprecher der DFG-Forschungsgruppe, an der 14 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrerer Universitäten in Deutschland und Großbritannien beteiligt sind. Gemeinsames Ziel ist es, organische Solarzellen mit massenproduktionstauglichen Druckverfahren herzustellen und mit komplementären Experimenten und Simulationen zu verstehen und zu verbessern. Die DFG-Forschungsgruppe POPULAR arbeitet eng mit dem Marie-Skłodowska-Curie-Promotionsnetzwerks EIFFEL zusammen, in dem Doktorandinnen und Doktoranden von zehn Universitäten die Grundlage für eine neue Generation organischer Solarzellen schaffen wollen, die in großen Stückzahlen hergestellt und erfolgreich vermarktet werden können.
Publikation: Maria Saladina, Carsten Deibel et al: Power-law density of states in organic solar cells revealed by the open-circuit voltage dependence of the ideality factor. Physical Review Letters 130, 236403 (2023).
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.236403
Weitere Informationen erteilen Maria Saladina, Telefon +49 (0)371 531-34046, E-Mail maria.saladina@physik.tu-chemnitz.de, sowie Prof. Dr. Carsten Deibel, Telefon +49 (0)371 531-34878, E-Mail deibel@physik.tu-chemnitz.de.
Mario Steinebach
12.06.2023
