Forschung -

Dehnbare Solarzellen werden immer besser

Organische Solarzellen, die auf Oberflächen lackiert oder gedruckt werden können, werden immer effizienter und bieten heute vielversprechende Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. in der Bekleidung, die auch eine hohe Flexibilität erfordern.

Das Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Rafael Verduzco der Rice University entwickelte nunmehr eine flexible organische Fotovoltaik, die selbst dort eingesetzt werden kann, wo eine konstante, stromsparende Energieversorgung ausreichend ist.

Verduzco und sein Team integrierten ein Netz von elastischen Additiven, die das elektrisch aktive Material weniger spröde machen und den Stromfluss kaum beeinträchtigen.

Der Forschungsbericht erschien in "Chemistry of Materials" der American Chemical Society ("Network-Stabilized Bulk Heterojunction Organic Photovoltaics").

Organische Solarzellen basieren auf Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich Polymeren - im Gegensatz zu harten, anorganischen Materialien wie Silizium - um Sonnenlicht einzufangen und in Strom umzuwandeln.

Organische Stoffe sind außerdem dünn, leicht, semitransparent und kostengünstig. Während gewöhnliche, kommerzielle und auf Silizium basierte Solarzellen einen Wirkungsgrad von etwa 22 Prozent bieten, bringen es die organischen Konkurrenten auf rund 15 Prozent.

"Das Feld ist schon seit Langem von der Effizienz besessen", sagte Verduzco. "Es gab zwar Effizienzsteigerungen dieser Komponenten, aber auch die mechanischen Eigenschaften sind sehr wichtig, und dieser Teil wurde bisher vernachlässigt. Wenn man die Dinge dehnt oder biegt, bekommen sie Risse in der aktiven Schicht und das Gerät fällt aus."

Verduzco sagte, ein Ansatz zur Lösung des spröden Problems wäre es, Polymere oder andere organische Halbleiter zu finden, die von Natur aus flexibel sind, aber sein Labor entschied sich anders.

"Unsere Idee war es, an den Materialien festzuhalten, die in 20 Jahren sorgfältig entwickelt wurden und die wir kennen, und dann einen Weg zu finden, ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern", sagte er.

Anstatt ein Netz zu bilden und die halbleitenden Polymere einzugießen, mischten die Forscher Thiol-En-Reagenzien auf Schwefelbasis ein. Die Moleküle verschmelzen mit den Polymeren und vernetzen sich dann miteinander und bieten damit Flexibilität.

Das Verfahren ist nicht billig, denn zu wenig Thiol-En lässt die kristallinen Polymere unter Belastung rissfähig werden, während zu viel die Effizienz des Materials dämpft.

Tests halfen dem Labor, das Optimum zu finden. "Wenn wir 50 Prozent der aktiven Schicht durch dieses Netz ersetzen würden, würde das Material 50 Prozent weniger Licht erhalten und der Strom würde sinken", sagte Verduzco.

"Irgendwann ist es nicht mehr praktisch. Selbst nachdem wir bestätigt hatten, dass sich das Netz bildete, mussten wir festlegen, wie viel Thiol-en wir zur Unterdrückung von Frakturen benötigten und wie viel wir maximal einsetzen konnten, ohne es als Elektronikgerät wertlos zu machen."

Bei etwa 20 Prozent Thiol-En stellte man fest, dass die Zellen ihre Effizienz beibehalten und an Flexibilität gewonnen hatten. "Sie sind kleine Moleküle und stören die Morphologie nicht sonderlich", sagte Verduzco.

"Wir können ultraviolettes Licht ausstrahlen, Wärme zuführen oder einfach warten, und mit der Zeit wird sich das Netz bilden. Die Chemie ist mild, schnell und effizient."

Der nächste Schritt war das Strecken des Materials. "Pure P3HT (die aktive Schicht auf Polythiophenbasis) begann bei etwa 6 Prozent Dehnung zu knacken", sagte Verduzco.

"Als wir 10 Prozent Thiol-En zusetzten, konnten wir es auf 14 Prozent dehnen. Und bei etwa 16 Prozent Dehnung entstanden Risse im gesamten Material."

Bei Dehnungen von mehr als 30 Prozent bog sich das Material gut, wurde aber als Solarzelle nutzlos. "Wir stellten fest, dass es im Wesentlichen keinen Verlust in unserem Fotostrom bis etwa 20 Prozent gibt", so Verduzco. "Das scheint der optimale Punkt zu sein."

Schäden unter Belastung beeinflussten das Material auch dann, wenn die Dehnung gelöst wurde. "Die Verzerrung beeinflusst die Anordnung dieser Kristalldomänen und führt zu mikroskopischen Brüchen im Element", sagte Verduzco. "Die Löcher und Elektronen brauchen aber immer noch Wege, um zu den gegenüberliegenden Elektroden zu gelangen."

Verduzco fügte hinzu, dass das Labor verschiedene organische Fotovoltaikmaterialien ausprobieren wird, während man auch daran arbeitet, sie dehnbarer zu machen, und zwar mit weniger Zusätzen für größere Testzellen.

Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten