Forscher des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben kürzlich das Material ternärer organischer Solarzellen (TOSCs) optimiert und Wirkungsgrade erzielt, die denen kristalliner Solarzellen in nichts nachstehen sollen.
Organische photovoltaische Solarzellen (OSCs) sind eine Art von Solarzellen, die organische Materialien verwenden, die typischerweise aus kleinen Molekülen oder Polymeren bestehen, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln, im Gegensatz zu herkömmlichen anorganischen Solarzellen, die kristallines Silizium oder andere anorganische Materialien verwenden.
Einer der Hauptvorteile von OSCs ist ihre Flexibilität und ihr geringes Gewicht. Sie können mithilfe lösungsbasierter Verfahren wie dem Tintenstrahldruck kostengünstig in flexiblen Rollen anstelle von starren Platten hergestellt werden, wodurch sie für vielfältige Anwendungen wie Sensoren, tragbare Ladegeräte oder tragbare Elektronik geeignet sind. OSCs können auch halbtransparent oder in verschiedenen Farben gestaltet werden, was eine ästhetische Integration in Gebäude, Fenster oder andere Strukturen ermöglicht.
Allerdings haben OSCs eine geringere Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) als anorganische Solarzellen. TOSCs haben die Situation in gewissem Maße verändert. Im Gegensatz zu den herkömmlichen binären organischen Solarzellen, die aus einem Donormaterial und einem Akzeptormaterial bestehen, enthalten TOSCs eine zusätzliche dritte Komponente, die oft als „Gast“ bezeichnet wird. Diese Gastkomponente wird eingeführt, um verschiedene Aspekte des Solarzellenbetriebs zu optimieren, von der Optimierung der internen Energieflüsse der Zelle bis hin zur Verbesserung der Art und Weise, wie die Zelle Licht in Strom umwandelt.
Von besonderem Interesse für PCE-Gewinne ist, dass die Gastkomponente auch das Spektrum des absorbierten Lichts erweitern kann. Durch die Auswahl eines Gastmaterials, das Licht in einem Bereich absorbiert, der nicht vom Donor oder Akzeptor abgedeckt wird, kann die gesamte Sonnenlichtabsorption der Zelle erhöht werden. In der Zwischenzeit kann die Morphologie des Mischfilms, in der Exzitonendissoziation, Ladungserzeugung und Transport ablaufen, gut abgestimmt werden.
Angesichts der vielen verschiedenen Funktionen, die die Gastkomponente übernehmen kann, kann ihre spezifische Position innerhalb des „Sandwichs“ oder der Matrix der Solarzelle die Leistung radikal verändern. „Je nach Platzierung kann die Gastkomponente entweder blitzschnell Energie übertragen oder dazu beitragen, mehr Sonnenlicht einzufangen“, sagte LI Yonghai, Co-Autor der Studie.
Es gibt drei verschiedene Standortmöglichkeiten: eingebettet in das Donormaterial, eingebettet in das Akzeptormaterial oder auf irgendeine Weise zwischen der Grenzfläche von Donor und Akzeptor verteilt, wodurch gemischte, legierungsartige Strukturen (Aggregate) gebildet werden. Bisher wurde dem Herumspielen mit der Position von Gastkomponenten jedoch nur sehr wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
In ihrer Studie verwendeten die Forscher im TOSC eine Gastkomponente namens LA1 (die sich von anderen Gastkomponentenmaterialien hinsichtlich ihrer Kristallinität unterscheidet). LA1 ist ein kleiner Molekülakzeptor, den die Forscher mit Phenylalkylseitenketten modifiziert haben – eine funktionelle Gruppe (Ansammlungen von Atomen innerhalb von Molekülen, die ihre eigenen Eigenschaften haben), die häufig beim Design organischer Materialien für den Einsatz in Photovoltaikgeräten verwendet wird. LA1 wurde mit der Phenylalkyl-Seitenkette modifiziert, um seine Kristallinität und Ausrichtung zu verbessern und gleichzeitig eine zufriedenstellende Kompatibilität beizubehalten, was wiederum seine Leistung im TOSC steigert.
Darüber hinaus regulierten die Forscher die Verteilung ihrer Gastkomponente, indem sie mit verschiedenen Bedingungen experimentierten, die die Interaktion mit den Wirtskomponenten steuern, darunter Wirt-Gast-Kompatibilität, Oberflächenenergie, kristalline Kinetik und intermolekulare Wechselwirkungen. Dabei fanden sie legierungsartige Aggregationen innerhalb der meisten Gastmoleküle, die auch in die Wirtsmoleküle eindrangen und sich dort verteilten.
Beeindruckend ist, dass die Kristallgröße dieser eingebetteten Wirt-Gast-„Legierungen“ leicht fein abgestimmt werden kann, um den elektrischen Ladungstransport zu verbessern und die Ladungsrekombination zu unterdrücken. Dadurch konnten die Forscher zunächst PCE-Steigerungen von über 15 Prozent erzielen und durch die Kombination ihrer Gastkomponente mit der Y6-Akzeptorfamilie als Wirtskomponente noch größere Effizienzsteigerungen von über 19 Prozent erzielen.
Die Forscher sind der Meinung, dass sie beträchtliche experimentelle Erfolge erzielt haben, die treibenden Kräfte dieser Fortschritte sind jedoch theoretisch noch nicht so gut verstanden. In Zukunft hoffen die Forscher, diese zugrunde liegenden Mechanismen besser klären zu können.