• Das Zentrum im Überblick
• Forschung
  • Solarenergieforschung
    • Heterogene Materialsysteme
      • Arbeitsgebiete
        • Organische Solarzellen
          • Modeling
          • Morphology
          • Chemical engineering
          • OPV Workshop 2012
• Nutzerkoordination
• Angebote
• Aktuell

Organische Solarzellen

Fig.1: Zweischicht- (links) und Mischschichtkonzept (rechts) für organische Solarzellen aus Zink-Phthalozyanin (ZnPc) und C60 Fulleren. Das transparente Indiumzinnoxid (ITO) bildet die Frontelektrode, Aluminium (Al)die Rückelektrode. Bei der Zweischichtarchitektur ist eine zusätzliche Pufferschicht zwischen C60 und Al nötig, hier Bathocuproin (BCP).

Die Forschung an organischen Solarzellen am HZB begann 2001 (damals HMI) im Rahmen eines Verbundprojektes gefördert aus dem Vernetzungsfond: Erneuerbare Energien des BMBF. Es ging dabei um die entwicklungsfähigkeit effizienter Solarzellen auf Basis organischer Materialien. Man hoffte damit eine neue kostengünstige Technologie zur Erschließung alternativer Energiequellen zu entwickeln. Als Konsequenz wurde Ende 2003 die Gruppe "Organische Solarzellen" etabliert, die weiterhin hauptsächlich aus Drittmitteln finanziert wird.

Das Prinzip einer organische Solarzelle besteht darin, dass deren Absorbermaterial ein Nanokomposit aus zwei organischen Komponenten mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften besteht. Bei Lichteinstrahlung generieren beide eine extrem hohe Dichte gebundener Elektron-Loch-Paare (Excitonen), die an der Grenzfläche zwischen den Komponenten getrennt werden. Dabei gibt eine Komponente Elektronen ab (Donator), während die andere Komponente diese aufnimmt (Akzeptor). Die frei werdenden Löcher nehmen den umgekehrten Weg. Nach der Trennung der Excitonen an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche werden die Ladungsträger zur jeweiligen Elektrode als Fotostrom abgeführt.
Die beiden Komponenten können entweder als Schichten übereinander (bilayer heterojunction) oder als homogene Mischung (bulk heterojunction) vorliegen. Typischerweise haben sich hier ultra-dünne Schichten von insgesamt nur 60-80 nm der eingesetzten Donator-Akzeptor-Nanokomposite (DAN) bewährt.

Es hat sich gezeigt, dass eine präzise Schichtarchitektur, wie auch die Reinheit der verwendeten Materialien großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Fotozelle haben. Um höchstmögliche Kontrolle über die Qualität des Schichtwachstums zu haben, verwenden wir deshalb für die Präparation fast ausschließlich Materialien, die im Hochvakuum thermisch verdampfbar sind. Wir untersuchen DAN-Modellsysteme basierend auf verschiedenen Metal-Phthalozyaninen und C60 , und entwerfen dabei zum Teil neue Materialien.