Verschleiß organischer Solarzellen erstmals direkt beobachtet

Wissenschaftler beobachteten mithilfe der Röntgenlichtquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg erstmals, wie der Verschleiß organischer Solarzellen genau abläuft. Die Untersuchung könnte neue Ansatzpunkte liefern, um der viel versprechenden Solarzellenart eine größere Stabilität zu verleihen. Ihre Ergebnisse stellen die Forscher nun im Fachjournal „Advanced Materials“ vor.

Organische Solarzellen, insbesondere auf Polymerbasis, sind nicht nur kostengünstig und großflächig herstellbar, sondern erschließen aufgrund ihrer Biegsamkeit auch Anwendungsgebiete, die bisweilen für die Photovoltaik unzugänglich sind. Außerdem können sie eine für Solarzellen große Effizienz von mittlerweile mehr als zehn Prozent bei der Umwandlung von Licht in Strom erreichen und damit einen wichtigen Anteil zur Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen liefern. Allerdings besitzen sie eine kürzere Lebensdauer als herkömmliche Siliziumzellen – und ihre Effizienz lässt schnell nach.


An einer der Messstationen der Röntgenquelle PETRA III haben die Wissenschaftler um Christoph Schaffer von der TU München den Verschleiß organischer Solarzellen erstmals in Echtzeit beobachtet. Dazu beleuchteten sie eine Polymersolarzelle mit künstlichem Sonnenlicht und zeichneten die elektrischen Eigenschaften der Zelle auf. Während der siebenstündigen Untersuchung sank die Effizienz der Solarzelle um rund ein Viertel. Parallel dazu konnten die Forscher mit dem Röntgenlicht Veränderungen an der inneren Struktur der aktiven Schicht beobachten, die das Herzstück organischer Solarzellen darstellt.



Scheinbar willkürlicher Anordnung ähnlich großer Kreise. Im linken Teilbild sind mehr Kreise als im rechten.
Strukturänderung der aktiven Schicht der Solarzelle

Der elektrische Strom wird darin an sogenannten aktiven Domänen erzeugt, wo Licht absorbiert wird und elektrische Ladungsträger freigesetzt werden. Diese Domänen besaßen zu Beginn der Messung einen mittleren Durchmesser von knapp siebzig Nanometern, der während der Untersuchung um etwa 17 Prozent auf rund achtzig Nanometer anwuchs. Gleichzeitig stieg auch der mittlere Abstand der aktiven Domänen um 19 Prozent von 310 auf 370 Nanometer an, wie die Röntgenmessungen zeigten. „Dies legt nahe, dass während des Betriebs kleine Domänen zugunsten größerer unwiederbringlich verschwinden“, erläutert Schaffer. „Zwar wachsen die Domänen dadurch, jedoch entfernen sie sich auch voneinander, wodurch sich unter dem Strich ihre Gesamtfläche verringert. Insgesamt lässt sich dadurch exakt der beobachtete Rückgang des Stromertrages erklären.“

„Die Untersuchung erklärt erstmals den Verschleißmechanismus, das ist ein erster Schritt“, erläutert Koautor Stephan Roth vom DESY. „Der nächste Schritt ist, dass man versucht, das Wachstum etwa durch den Zusatz geeigneter Substanzen gezielt zu hemmen oder zu steuern. So ist es beispielsweise denkbar, die innere Struktur von Polymersolarzellen bei der Produktion so zu gestalten, dass sich die aktiven Bereiche während der ersten Betriebsstunden gerade in eine optimale Struktur entwickeln, statt aus ihr herauszuwachsen“, erklärt Peter Müller-Buschbaum, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Solche Maßnahmen können genau bewirken, dass industriell produzierte Zellen schließlich auch bei längerem Betrieb über der für Polymersolarzellen wirtschaftlich entscheidenden Effizienzschwelle liegen“, betont Roth.