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25.02.2021

Fensterscheiben, die Strom erzeugen

Schichten der organischen Solarzelle Schichten der organischen Solarzelle Das Bild zeigt den Aufbau der Solarzelle aus Schichten. Die drei vergrößerten Blasen zeigen die verschiedenen untersuchten Mischungsverhältnisse. © Reiner Müller / FRM II, TUM

Das Bild zeigt den Aufbau der Solarzelle aus Schichten. Die drei vergrößerten Blasen zeigen die verschiedenen untersuchten Mischungsverhältnisse. © Reiner Müller / FRM II, TUM

Strom aus Fensterscheiben klingt erst einmal nach Science-Fiction, aber es ist eine Anwendung, die mit organischen Solarzellen möglich ist. Um die aktive Schicht organischer Solarzellen besser zu verstehen, untersuchte ein Wissenschaftlerteam der Technischen Universität München (TUM) am MLZ das dynamische Verhalten der aktiven Schicht.

Das „organisch“ in organischen Solarzellen bedeutet hier, dass die aktive Schicht der Solarzelle aus Materialien der organischen Chemie, also aus Kohlenstoffverbindungen, besteht. In diesem Fall sind es Polymere, was wir im weitesten Sinne unter Plastik verstehen. Die Verwendung von Polymeren bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen aus Silizium. “Sie sind günstiger und umweltfreundlicher, da sie aus einer Lösung hergestellt werden und kein Silizium bei hohen Temperaturen geschmolzen werden muss”, meint Dominik Schwaiger vom TUM-Lehrstuhl für Funktionelle Materialien von Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum, Wissenschaftlicher Direktor der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II) und am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), der das Thema erforscht.

Die Herstellung organischer Solarzellen aus einer Lösung bedeutet, dass sie als dünne Schicht auf fast jede beliebige Oberfläche aufgetragen werden können. Dadurch fangen sie Sonnenstrahlen nicht nur auf dem Hausdach ein, sondern auch auf großen Fensterfronten von Hochhäusern oder als einrollbare Folie für unterwegs. Was noch fehlt, ist die Effizienz. Noch schaffen organische Solarzellen nicht die Leistung einer herkömmlichen Solarzelle und sind weniger stabil. Und genau deshalb hat es sich die Forschung zur Aufgabe gemacht, bei organischen Solarzellen Fortschritte zu machen, damit sie großflächig auch von der Industrie hergestellt werden können.

Probe einer organischen Solarzelle Probe einer organischen Solarzelle Für die Untersuchungen wird das Polymergemisch auf eine dünne Folie aufgetragen und in einer Probenzelle eingespannt. © Dominik Schwaiger

Für die Untersuchungen wird das Polymergemisch auf eine dünne Folie aufgetragen und in einer Probenzelle eingespannt. © Dominik Schwaiger

Wie zwei ineinandergreifende Bürsten
Die organische Solarzelle besteht aus Schichten: Oben und unten greifen Elektroden die Spannung ab und dazwischen liegt die aktive Schicht. Diese absorbiert das einfallende Licht und wandelt dieses in Strom um, der wiederum über die Elektroden zum Verbraucher abgeführt wird. Die spannenden Abläufe passieren in der aktiven Schicht, welche sich aus den beiden Polymeren PTB7 und PCBM zusammensetzt. “Das kann man sich so vorstellen, wie zwei Bürsten, die ineinandergreifen”, erklärt Dominik Schwaiger. Das eine Polymer ist dafür zuständig, Licht zu absorbieren und die Ladung zu binden, während das andere Polymer die Ladung vom Material abtrennt und an die Elektroden weiterleitet.

Die richtige Mischung
Interessant ist nun die Frage, wie sich die Polymere in der aktiven Schicht verhalten. Denn davon hängt ab, wie gut die Leitfähigkeit ist und wie stark die Solarzelle mit der Zeit verschleißt. Die hier verwendeten Polymere sind lange Molekülketten mit kürzeren abzweigenden Seitenketten. Um die Bewegung dieser Seitenketten genauer zu untersuchen, kam das Flugzeitspektrometer TOFTOF am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum zum Einsatz. „Der Einsatz von Neutronenspektroskopie ist in diesem Fall sinnvoll, da Neutronen besonders gut Wasserstoffatome detektieren können, die in den Polymerketten auftauchen“, sagt Dominik Schwaiger.
Aus den Untersuchungen haben die Forscherinnen und Forscher gelernt, wie sich die aktive Schicht bei verschiedenen Temperaturen und Mischungsverhältnissen der Polymere verhält. Und in nicht allzu ferner Zukunft werden wir vielleicht Handys an Fensterscheiben laden.

Originalveröffentlichung:
Dominik Schwaiger, Wiebke Lohstroh, and Peter Müller-Buschbaum: Investigation of Molecular Dynamics of a PTB7:PCBM Polymer Blend with Quasi-Elastic Neutron Scattering
ACS Applied Polymer Materials 2020 2 (9), 3797-3804
DOI: 10.1021/acsapm.0c00455

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