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Organische Photovoltaik

Eine der dringendsten Herausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert ist der Übergang von einer vorwiegend fossilen zu einer regenerativen Energieversorgung. Dieser Übergang ist aus Gründen der Verknappung fossiler Ressourcen und mehr noch aus der Klimaproblematik heraus unumgänglich. Die Photovoltaik, d.h. die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, ist aus vielerlei Gründen eine besonders attraktive Form regenerativer Energieversorgung. Allerdings ist sie trotz langjähriger Anstrengungen in Forschung und Entwicklung noch wesentlich zu teuer. Aufgrund hoher staatlicher Unterstützung erlebt die Photovoltaik seit Jahren einen enormen Aufschwung, wobei dieser jedoch weitgehend von relativ lange bekannten Ansätzen auf der Basis von kristallinem Silizium dominiert wird. Diese Technologie besitzt nur noch begrenztes Kostensenkungspotential. Organische Solarzellen könnten prinzipiell aufgrund des extrem geringen Materialverbrauchs, der vergleichsweise preisgünstigen Materialien und effizienter Abscheideverfahren bei Raumtemperatur extrem preisgünstig sein. Die mechanische Flexibilität organischer Halbleiterfilme ermöglicht den Einsatz photovoltaischer Schichten auf flexiblen Trägerfolien und bietet somit ein breites Anwendungsspektrum. Aufgrund ihrer immer noch deutlich zu niedrigen Wirkungsgrade (um 5% für Laborzellen) und ungeklärter Fragen wie ihrer Langzeitstabilität sind sie jedoch von einer breiten Anwendung noch weit entfernt. Um eine solche Anwendung zu erreichen, müssen noch grundlegende Fragen geklärt werden:

• Wie kann der Wirkungsgrad gesteigert werden?

• Welche elementaren elektro-/photochemischen Prozesse begrenzen die  Lebensdauer?

• Welche neuen Materialklassen können als Absorber und Transportmaterialien eingesetzt werden?

Die Forschung zu organischen Halbleitern hat in Deutschland lange Tradition und hat auch in den letzten Jahren internationale Beachtung gefunden. 

Wissenschaftliche Ziele

Zunächst ist für die Erhöhung beim Wirkungsgrad ein wesentlich verbessertes Verständnis der Elementarprozesse in der organischen Solarzelle notwendig. Zur Durchführung dieser Untersuchungen, aber auch zur Realisierung effizienterer Zellen, sind umfangreiche Arbeiten zur Synthese neuer Materialien notwendig. Weiterhin sind neue Konzepte zur Erzielung hoher Wirkungsgrade zu untersuchen.

Das Schwerpunktprogramm beschäftigt sich parallel mit Materialien, die aus der flüssigen Phase aufgebracht werden (Polymere), und Materialien, die durch Aufdampfen präpariert werden (Oligomere, „Small Molecules“). Zum einen eröffnet der Vergleich der beiden Ansätze neue Einsichten. Zum anderen hat sich die früher oft geäußerte Ansicht, aus der Flüssigphase aufzubringende Materialien seien per se viel preisgünstiger und deshalb langfristig vorzuziehen, bei den bereits kommerziell erhältlichen OLED zumindest bisher als unzutreffend erwiesen. Da die Oligomere u.U. auch einen Vergleich mit den Einkristallen ermöglichen, ergibt sich eine zusätzliche Möglichkeit des grundlegenden Erkenntnisgewinns.

Im Folgenden werden die wesentlichen Fragestellungen und darauf bezogene Ziele des SPP ausgeführt:

Neue Materialien: Ziel ist hier zunächst, neue Absorbermaterialien bereitzustellen, die das komplexe Anforderungsprofil bezüglich der optischen und der elektronischen Eigenschaften erfüllen.

Morphologie und nanoskalische Phasentrennun: Aufgrund der relativ geringen Diffusionslängen sind organische Solarzellen mit einem verteilten Heteroübergang (bulk heterojunction) besonders aussichtsreich. Die aus der Phasentrennung der Donator/Akzeptor-Absorberschicht resultierende Morphologie ist jedoch sehr komplex. Ein wichtiges Ziel der Initiative ist deshalb ein detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Eigenschaften und Morphologie dieser Mischschichten.

Erhöhung der Leerlaufspannung: Der Ursprung der Leerlaufspannung ist in organischen Solarzellen nach wie vor ein offenes Problem, an dem bislang kaum systematisch geforscht wurde. Bisher sind die Leerlaufspannungen in organischen Solarzellen noch durchweg zu gering. Das detaillierte Verständnis der Ursachen dieses Parameters sollte helfen, die Leerlaufspannungen von bisher meist deutlich weniger als der Hälfte der Bandlücke in die Nähe der in Si und anderen kristallinen Halbleitern erreichten mehr als 70% der Bandlücke zu bringen.

Grenzflächen und Heteroübergäng: Organische Solarzellen werden wesentlich durch Grenzflächen und Heteroübergänge geprägt. Wichtige Aspekte sind hier ein Verständnis der Beziehung zwischen Grenzflächeneigenschaften und Ladungstransfer bzw. Ladungstransport über die Grenzfläche / dem Heteroübergang. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Langzeitstabilität der inneren Grenzflächen und Kontakte.

Modellierung: Die Modellierung von Teilprozessen in organischen Solarzellen sowie von vollständigen Solarzellen ist wesentlich für die Entwicklung neuartiger Materialsysteme und innovativer Solarzellenarchitekturen. Notwendig ist die Entwicklung einer konsistenten theoretischen Beschreibung aller ablaufenden Prozesse, die eine Modellierung mit Vorhersagekraft erlaubt.

Innovative Konzepte für Solarzellarchitekture: Um organische Solarzellen mit relativ hoher (>10%) Effizienz realisieren zu können, sind innovative Architekturen notwendig. Um wesentliche Teile des Sonnenspektrums abdecken zu können, sind Tandemsolarzellen und multiple Zellen gefragt. Genauso werden für die Realisierung einer preisgünstigen Fertigung neue Ansätze, z.B. invertierte Solarzellen (Superstrate-Konfiguration, ITO-frei) notwendig sein.