Organische Solarzellen als Alternative zu konventionellen Solarzellen

Argonne-Forscher haben einen besseren Einblick bekommen, wie sich die molekularen Strukturen organischer Solarzellen bilden, was neue Erkenntnisse liefert, die ihre Effizienz verbessern können. Bildnachweis: Shutterstock / Dave Weaver

Organische Solarzellen könnten eine kostengünstige und vielseitige Alternative zu anorganischen Solarzellen sein. Ihre geringe Effizienz und begrenzte Lebensdauer machen sie jedoch derzeit für den kommerziellen Einsatz unpraktisch.

Als Teil der Bemühungen, Leistungsverbesserungen zu ermöglichen und diese Solarzellen der praktischen Anwendung näher zu bringen, haben Forscher des Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER), einer Zusammenarbeit zwischen der Northwestern University und dem Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) gearbeitet , haben sich genauer angeschaut, wie sich die molekularen Strukturen organischer Solarzellen bilden.

Unter Verwendung der Advanced Photon Source (APS) von Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, analysierten die Forscher, wie sich die Kristallstrukturen organischer Solarzellen entwickeln, wenn sie unter verschiedenen Bedingungen hergestellt werden. Mit dem APS erfuhren die Forscher, wie sich bestimmte Zusatzstoffe auf die erhaltenen Mikrostrukturen auswirken, und lieferten neue Erkenntnisse, die die Effizienz der Zellen verbessern können.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf die photoaktive Schicht der Zelle, die aus dünnen Filmen aufgebaut ist, die Energie aus Sonnenlicht absorbieren und diese Energie dann in elektrischen Strom umwandeln. Die Forscher stellten die Filme durch Schleuderbeschichtung her, ein weit verbreitetes Verfahren zur Filmherstellung in Forschungslabors.

Beim Schleuderbeschichten ließen die Wissenschaftler das in einem Lösungsmittel gelöste Material auf eine sich drehende Oberfläche fallen. Dadurch breitete es sich zu einem dünnen, gleichmäßigen Blatt aus. Sie montierten den Spin-Coater an einer Röntgenstrahllinie am APS und beobachteten, wie sich die Kristallstruktur des Films in Echtzeit entwickelte.

Um zu sehen, wie sich die Kristallite vollständig und detailliert bildeten, nutzten die Forscher eine spezielle In-situ-Methode, die sogenannte Weitwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GIWAXS), um die Röntgenbeugungsdaten zu sammeln.

„Es war die Stabilität und Reproduzierbarkeit dieses spezifischen Schleuderbeschichtungsaufbaus, die diese Studie ermöglicht hat“, sagte der Northwestern-Student Eric Manley, Erstautor der am 9. Oktober veröffentlichten Studie Fortgeschrittene Werkstoffe.

Die wichtigste Entdeckung der Studie, die durch den neuen experimentellen Aufbau ermöglicht wurde, war, wie bestimmte Zusatzstoffe sowohl die Zeit, die es dauert, bis die Struktur des Films aufhört, sich zu verändern, als auch die Zwischenstrukturen, die der Film während der Evolution annimmt, erheblich beeinflussen können. Selbst nachdem sich das Lösungsmittel aufgelöst hat, können sich die Strukturen abhängig von den vorhandenen Additiven sekunden- bis stundenlang weiter verändern. Die mit Additiven langsamer hergestellten Filme verhalten sich im Allgemeinen besser als die schneller gebildeten Filme.

„Hersteller von Solarzellen gehen nach der Schleuderbeschichtung oft schnell zum nächsten Produktionsschritt über, was das Potenzial hat, die Morphologie zu fixieren, während sich die Struktur noch bildet. Dies kann die Leistung der Zelle erheblich beeinflussen, positiv und negativ“, sagte Manley. „Wir stellten fest, dass wir die Zeit zwischen den Herstellungsschritten angeben mussten, um die Bedingungen zu kontrollieren und optimierte Ergebnisse zu reproduzieren.“

Die Forscher planen, komplexere Strukturen zu untersuchen und zu untersuchen, wie verschiedene Entscheidungen die Leistung optimieren können. “Wir hoffen, dass dies den Weg ebnen wird, um diese Zellen für alltägliche Anwendungen brauchbarer zu machen”, sagte Joseph Strzalka, Physiker und Mitglied der Time-Resolved Research Group innerhalb der X-Ray Sciences-Abteilung von Argonne.


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