Förderung lateraler Solarzellen – Advanced Science News

Ein neuer Designansatz und spezielles organisches Material tragen dazu bei, die Effizienz seitlicher Solarzellen zu verbessern und die Energieerzeugung auf die andere Seite zu stellen.

Solarenergie gilt als eine der führenden Quellen billiger und erneuerbarer Energie und als wesentliches Instrument zur Eindämmung der sich ausbreitenden Klimakrise. Die am weitesten verbreitete Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität sind Solarzellen, die bei Sonneneinstrahlung elektrischen Strom erzeugen. Die Entwicklung kostengünstiger, zuverlässiger und effizienter Solarzellen ist daher von größter Bedeutung für den Übergang von fossilen Brennstoffen zu dieser sauberen Energieform.

Herkömmliche Solarzellen werden im Allgemeinen aus verschiedenen Halbleitern hergestellt, Materialien, die dazu dienen, den Stromfluss in elektronischen Geräten zu steuern und zu steuern. Organische Halbleiter, also Materialien, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, erfreuen sich in diesem Bereich großer Beliebtheit, da sie in der Natur reichlich vorkommen, kostengünstig im industriellen Maßstab verarbeitet werden können und die daraus hergestellten Solarzellen flexibel und transparent sind.

Der Haken ist jedoch, dass ihre Effizienz, insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sie einfallendes Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln, begrenzt ist. Darüber hinaus können die meisten organischen Moleküle nur dann Strom erzeugen, wenn sie Licht bestimmter Wellenlängen ausgesetzt werden. Um das gesamte Sonnenspektrum zu nutzen, zu dem neben sichtbarem Licht auch Infrarot- und Ultraviolettstrahlung gehört, werden organische Solarzellen normalerweise mit großen Abmessungen hergestellt Anzahl verschiedener Filme, von denen jeder auf einen Bruchteil des Strahlungsspektrums der Sonne reagiert.

„Herkömmliche organische Photovoltaikzellen haben eine Sandwichstruktur, das heißt, die organischen Filme, die den Strom durch Sonnenlicht erzeugen, sind vertikal zwischen ein paar Elektroden eingeschlossen“, erklärt Masahiro Hiramoto, Professor an den National Institutes of Natural Sciences und der Graduate University for Advanced Studies in Japan. „Auf dem Glassubstrat werden nämlich nacheinander in vertikaler Richtung eine transparente Elektrode, organische Filme und eine Gegenmetallelektrode abgeschieden. Der durch Licht erzeugte Strom fließt also in vertikaler Richtung in Bezug auf die Substratoberfläche.“

Da verschiedene organische Halbleiter unterschiedlich auf Sonnenlicht reagieren, wirkt sich dies negativ auf das Design und die Größe des „Sandwichs“ aus, aus dem eine sogenannte Tandemsolarzelle besteht.

„Bei herkömmlichen vertikalen organischen Zellen gibt es eine strenge Einschränkung für die Kombination mehrerer Materialien, da die Stromstärke, die von den einzelnen organischen Schichten erzeugt wird, gleich sein sollte“, sagte Hiramoto. „Das ist eine starke Einschränkung für die Herstellung von Tandemzellen.“

Ein seitlicher Ansatz

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelten die Forscher einen neuen Solarzellentyp mit einer anderen Elektrodenanordnung im Vergleich zum Filmsandwich, wodurch jegliche Einschränkung des durch jeden Film fließenden Stroms beseitigt wurde. Dieses neue Design wird „laterale Solarzelle“ genannt, da der Strom nun horizontal statt vertikal verläuft.

„Laterale organische Photovoltaikzellen verfügen über ein paar Elektroden, die an der rechten und linken Seitenkante des organischen Films angebracht sind“, erklärte Hiramoto. „Der durch Licht im organischen Film erzeugte Strom fließt also in seitlicher Richtung in Bezug auf die Substratoberfläche. Das bedeutet, dass eine unendliche Anzahl organischer Schichten beliebig und ohne Einschränkung gestapelt werden kann, um das gesamte Sonnenspektrum auszunutzen. Das ist ein Traum der Solarzellenforscher.“

Obwohl diese Elektrodenanordnung einen unterschiedlichen Strom in jedem Film ermöglicht, weist sie dennoch einige Nachteile auf, die das Team angesprochen hat ihr Studium veröffentlicht in körperlicher Zustand solidi a. Typischerweise liegt die Dicke des Films in der Größenordnung von Nanometern bei einer Länge von einigen Millimetern (manchmal Zentimetern). Daher müssen Elektronen, die durch einfallendes Licht in Bewegung gesetzt werden, in lateralen Solarzellen eine viel größere Distanz zurücklegen, um die Elektroden zu erreichen, als in herkömmlichen vertikalen Solarzellen.

Dieser Abstandsunterschied macht die Zelle empfindlicher gegenüber der Elektronenkonzentration und gegenüber Eigenschaften des Materials wie der Elektronenmobilität oder der Geschwindigkeit, mit der sie sich durch den Film bewegen.

„Die mögliche Distanz des Stromflusses in organischen Filmen wurde aufgrund ihrer geringen Mobilität auf mehrere hundert Nanometer begrenzt“, fügte Hiramoto hinzu. „Daher konnten wir nur vertikale Zellen herstellen, da die Entfernung des Stromflusses gleich der Filmdicke (Abstand zwischen zwei Elektroden) ist, also weniger als 1 Mikrometer. Da jedoch in jüngster Zeit organische Materialien mit sehr hoher Mobilität entwickelt wurden, vergrößerte sich die mögliche Distanz des Stromflusses in organischen Filmen auf die Größenordnung von Millimetern. So ist es jetzt einfacher, laterale organische Solarzellen herzustellen.“

Doping zur Leistungssteigerung

Um die bestehenden lateralen Solarzellendesigns zu verbessern, fügten Hiramoto und seine Kollegen den organischen Materialien gezielt Verunreinigungen hinzu, ein Prozess, der als Dotierung bezeichnet wird. Die Wechselwirkungen zwischen dem Halbleiter und den absichtlichen Verunreinigungen führen zu einer Erhöhung der Anzahl freier Elektronen, die zur Erzeugung eines elektrischen Stroms verwendet werden können.

Die Wissenschaftler arbeiteten mit einem Sandwich bestehend aus zwei 100 Nanometer dicken Filmen organischer Halbleiter namens C8-BTBT und PTCDI-C8. Ersteres war mit F-Molekülen dotiert₄TCNQ und letzteres mit Cs₂CO₃die gute Elektronenspender sind.

„Dotierung, also das Hinzufügen einer geringen Menge an Verunreinigungen, die die Elektronen aus den organischen Schichten abgeben oder aufnehmen, führt zu elektronenreichen und armen organischen Schichten“, erklärte Hiramoto. „Dadurch wird die Stromerzeugung verbessert und die Leistung organischer Solarzellen verbessert.“

Die Forscher experimentierten mit der Menge an Verunreinigungen, die organischen Filmen zugesetzt wurden, und untersuchten deren Auswirkungen auf die aktuelle Generation. Als Ergebnis fanden sie optimale Dotierungsniveaus, die den durch das einfallende Licht in ihren seitlichen Solarzellen erzeugten elektrischen Strom nahezu verdoppelten.

Die Proof-of-Concept-Solarzellen waren nur einen Bruchteil eines Millimeters groß und es sind noch weitere Arbeiten erforderlich, bevor sie vergrößert und in die Praxis umgesetzt werden können. Die Wissenschaftler hoffen jedoch, dass Fortschritte in der Materialwissenschaft dies in den kommenden Jahren ermöglichen werden.

„Fortschritte im Bereich Bio [compounds] ist so schnell“, sagte Hiramoto. „Viel Bio mit hoher Mobilität [materials], das den Stromfluss über Distanzen in der Größenordnung von Zentimetern ermöglicht, würde innerhalb von 10 Jahren entwickelt. Danach könnte die vorliegende neue organische Solarzelle in die Praxis umgesetzt werden.“

Referenz: Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Dotierte laterale organische Photovoltaikzellenphysica status solidi a (2023), DOI: 10.1002/pssa.202300108

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