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Organische Photovoltaik: Röntgenuntersuchung zeigt Strukturveränderungen und Verschleiß von „Plastik-Solarzellen“

Forscher der Technischen Universität München haben mit Hilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III erstmals live dem Verschleißen organischer Solarzellen (OPV) zugesehen. Die Untersuchung könnte neue Ansatzpunkte liefern, um der vielversprechenden Solarzellenart eine größere Stabilität zu verleihen.

Forscher der Technischen Universität München haben mit Hilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III erstmals live dem Verschleißen organischer Solarzellen (OPV) zugesehen. Die Untersuchung könnte neue Ansatzpunkte liefern, um der vielversprechenden Solarzellenart eine größere Stabilität zu verleihen.

Das Team um Prof. Peter Müller-Buschbaum stellt seine Beobachtungen im aktuellen Heft des Fachjournals "Advanced Materials" (Nr.46, 10. Dezember) vor.

Wirkungsgrad organischer Solarzellen lässt noch schnell nach

So genannte organische Solarzellen, insbesondere auf Polymerbasis, sind nicht nur kostengünstig und großflächig herzustellen, sondern erschließen dank ihrer Biegsamkeit auch Anwendungsgebiete, die bisweilen für die Photovoltaik unzugänglich sind. Außerdem können sie mittlerweile einen Wirkungsgrad von mehr als zehn Prozent bei der Umwandlung von Licht in Strom erreichen und damit einen wichtigen Teil zur Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen beitragen. Allerdings haben sie eine kürzere Lebensdauer als herkömmliche Silizium-Solarzellen, und ihr Wirkungsgrad lässt noch schnell nach.

Solar-Simulator und Röntgenstrahl zeigen Veränderungen der inneren Solarzellen-Schicht

An der Messstation P03 bei DESYs Röntgenquelle PETRA III haben die Wissenschaftler den Verschleiß organischer Solarzellen nun erstmals im Betrieb beobachtet. Dazu beleuchteten sie eine Polymer-Solarzelle mit einem Solar-Simulator, der Licht mit dem Spektrum und der Intensität der Sonneneinstrahlung erzeugt, und zeichneten die elektrischen Eigenschaften der Zelle auf.

Im Abstand von einigen Minuten bis zu einer Stunde durchleuchteten die Forscher die Zelle zudem mit dem scharf fokussierten Röntgenstrahl von PETRA III. Während der siebenstündigen Untersuchung sank der Wirkungsgrad 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 Zentrum organischer Solarzellen ist.

Untersuchung erklärt Rückgang des Solarstrom-Ertrags

Der Solarstrom wird darin an so genannten aktiven Domänen erzeugt, in denen Licht absorbiert wird und elektrische Ladungsträger freigesetzt werden. Diese Domänen besaßen zu Beginn der Messung einen mittleren Durchmesser von knapp 70 Nanometern (millionstel Millimetern), der während der Untersuchung um etwa 17 Prozent auf rund 80 Nanometer wuchs. 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 Erstautor Christoph Schaffer, Doktorand aus der Arbeitsgruppe von Müller-Buschbaum.

"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 Dr. Stephan Roth, verantwortlicher DESY-Wissenschaftler für die Messstation P03.

„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 Polymer-Solarzellen 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 Müller-Buschbaum.

„Solche Maßnahmen können genau bewirken, dass industriell produzierte Zellen schließlich auch bei längerem Betrieb über der für Polymer-Solarzellen wirtschaftlich entscheidenden Effizienzschwelle liegen", betont Roth.

Bild: Die Struktur der aktiven Schicht der organischen Solarzelle zu Beginn (links) und zum Ende der Untersuchung (rechts). Die Gesamtfläche der blau-gelben aktiven Domänen ist in den sieben Stunden geschrumpft.

Quelle: TU München | solarserver.de © Heindl Server GmbH

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