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Dotierte Photovoltaik

Organischer Farbstoff in Metalloxid-Zwischenschicht steigert die Leistung organischer Solarzellen

© Wiley-VCH; Angewandte Chemie

20.08.2019: Organische Solarzellen bestehen aus kostengünstigen Materialien und sind leicht herzustellen. In Wirkungsgrad und Stabilität liegen sie aber immer noch weit hinter den Solarzellen aus Silizium zurück. Ein deutsche-chinesisches Wissenschaftlerteam hat eine Möglichkeit gefunden, organische Solarzellen leitfähiger und damit auch leistungsfähiger zu machen. Durch Dotierung der Metalloxidschicht zwischen Elektrode und Aktivschicht mit einem speziell aufbereiteten organischen Farbstoff steigerten sie sowohl den Wirkungsgrad als auch die Stabilität, schreiben sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Organische Solarzellen wandeln Licht in elektrischen Strom um. Das Herzstück der Zellen ist die aktive Schicht, die aus speziell entwickelten organischen Molekülen besteht. Hier werden die Elektronen und Löcher, die positiven Gegenstücke der Elektronen, erzeugt. Die Ladungsträger wandern zu den Elektroden und bilden den elektrischen Strom. Ein grundsätzliches Problem beim Aufbau organischer Solarzellen ist die genaue Abstimmung der einzelnen Materialien. Die Elektroden sind anorganisch, aber die aktive Schicht ist organisch. In vielen organischen Solarzellen verbinden daher Zwischenschichten aus Metalloxid die Materialien. Aber deren Leitfähigkeit ist meist nicht optimal.

Die Teams um Frank Würthner von der Universität Würzburg und Zengqi Xie von der South China University of Technology in Guangzhou versuchten nun, die Zinkoxidschicht zwischen der negativen Elektrode und der aktiven Schicht etwas organischer und unter Licht leitfähig zu machen. Damit sollte der Kontaktwiderstand unter Sonnenlichteinstrahlung verringert werden. Die Wissenschaftler bereiteten einen organischen Farbstoff so auf, dass er stabile Komplexe mit Zinkionen bildet, die sich in der Zinkoxidschicht befinden. Dieser modifizierte Farbstoff mit dem Namen Hydroxy-PBI kann unter Sonnenlicht selbst Elektronen in die Zinkoxidschicht einspeisen, was deren Leitfähigkeit erhöht.

Anschließend bauten die Wissenschaftler die organische Solarzelle zusammen. Sie bestand aus einer Indium-Zinnoxid-Glaselektrode, der Hydroxy-PBI-dotierten Zinkoxidschicht, der aktiven Schicht aus einem Polymer als Elektronendonor und einem organischen Molekül als Akzeptor, einer weiteren Metalloxidzwischenschicht und einer Aluminiumelektrode als positiver Elektrode. Dieser Aufbau, eine sogenannte invertierte Bulk-Heterojunction-Architektur, entspricht der einer modernen, leistungsfähigen organischen Solarzelle, die unter optimalen Bedingungen einen Wirkungsgrad von bis zu 15 Prozent hat.

Die Dotierung war in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Je nach Farbstoff – die Wissenschaftler testeten mehrere Farbstoffe mit leicht unterschiedlichen Strukturen – erreichte der Wirkungsgrad fast 16 Prozent. Und auch die Zinkoxid-Zwischenschicht war durch die Dotierung offenbar stabiler geworden. Ausschlaggebend für den Fortschritt war laut der Autoren die Modifizierung des Farbstoffs PBI zum Hydroxy-PBI, denn nur diese Form konnte den festen Komplex mit den Zinkionen eingehen. Erst damit entstand demnach eine stabile anorganisch-organische Hybridstruktur, die einen besseren Kontakt zum aktiven Material vermittelte.

Die Autoren planen, das Verfahren für andere Zwischenschichten und zum Beispiel auch auf die OLED-Technologie auszuweiten.

Originalveröffentlichung:
Frank Würthner et al.; "Tetrahydroxy‐Perylene Bisimide Embedded in Zinc Oxide Thin Film as Electron Transporting Layer for High Performance Non‐Fullerene Organic Solar Cells"; Angewandte Chemie International Edition; 2019

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