Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird im Wesentlichen durch drei Kenngrößen bestimmt: den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor, welche die Leistungsfähigkeit in einem Strom-Spannungs-Diagramm beschreiben. Alle drei Parameter müssen weiter verbessert werden, damit organische Solarzellen den etablierten Solarzellen-Technologien wirklich Konkurrenz machen können.
Leerlaufspannung gegen Füllfaktor
Jüngste Publikationen zeigen, dass eine Verbesserung der Leerlaufspannung gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Füllfaktors führt – und umgekehrt. Diese Herausforderung wurde jetzt in enger Zusammenarbeit der Forschungsgruppen von Prof. Feng Gao (Linköping University, Schweden), Prof. Dieter Neher (Universität Potsdam) und Prof. Safa Shoaee (Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Berlin) gemeinsam mit weiteren Beteiligten angegangen.
Das Team konnte zeigen, dass die Erzeugung freier elektrischer Ladungen in der aktiven Schicht der Solarzelle unter gewissen Bedingungen stark von dem elektrischen Feld im organischen Halbleitermaterial abhängt. „Dadurch entsteht eine bislang wenig verstandene Begrenzung des Füllfaktors, die besonders dann relevant wird, wenn Spannungsverluste minimiert werden sollen“, erklärt Dieter Neher.
In organischen Solarzellen werden durch Licht bestimmte Zustände angeregt, sogenannte Exzitonen. Ein Exziton besteht aus einem negativ geladenen Elektron, das an ein positiv-geladenes Loch auf demselben Molekül gebunden ist und sich daher nicht frei bewegen kann. Die Trennung dieser Elektronen-Loch-Paare in freie elektrische Ladungen wird über einen Ladungstransfer erreicht, der von den Gruppen von Dieter Neher und Safa Shoaee in den vergangenen Jahren intensiv erforscht wurde. In der aktuellen Publikation wurden die dabei entwickelten Konzepte in Simulationen der gesamten Solarzelle eingebettet. Dabei zeigte sich, dass die Lebensdauer der Exzitonen und die durch den Ladungstransfer freiwerdende Energie die wichtigsten Parameter sind, die den Füllfaktor bei kleinen Spannungsverlusten bestimmen.
„Die Konkurrenz zwischen Füllfaktor und Leerlaufspannung konnten wir auf wenige physikalische Größen zurückführen und simulieren, wie diese Begrenzung durch eine Vergrößerung der Exzitonen-Lebensdauer signifikant abgemildert werden kann“, sagt Dieter Neher. Experimentelle und theoretische Ergebnisse bestätigen, dass eine verlängerte Exzitonen-Lebensdauer ein entscheidender Schlüssel zur weiteren Effizienzsteigerung ist.
Neue Materialkombinationen getestet
Zur Überprüfung des Ansatzes entwickelte das Team neue Materialkombinationen. Die daraus hergestellten organischen Solarzellen erreichten gleichzeitig hohe Füllfaktoren und eine hohe Gesamtleistung. Das Modell bietet allgemeine Leitlinien für die Materialentwicklung und die Verbesserung von Solarzellenbauteilen. Es eröffnet damit neue Möglichkeiten, langjährige Effizienzgrenzen organischer Solarzellen zu überwinden und ihre Leistungsfähigkeit weiter zu steigern.
