Photovoltaik

Grundlagen

Photovoltaik ist einer der festen Bestandteile für einen Energiemix der Zukunft. Sonnenenergie wird dabei mittels Solarzellen direkt in elektrische Energie umgesetzt.

Bei der Absorption von Photonen (UV, sichtbares und Infrarotes Licht) aus dem Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung werden Elektronen des absorbierenden Materials in unbesetzte Zustände angehoben. Sie bilden mit dem entstehenden Loch in dem zuvor besetzten Zustand einen speziellen Anregungszustand, ein sogenanntes Exziton. Diese Exzitonen zerfallen aber im Bereich eines p-n-Überganges in jeweils ein negatives Elektron und ein positives Loch. Diese separierten, beweglichen Ladungsträger werden zu jeweils einer der Elektroden transportiert. Durch diesen Prozess der Ladungstrennung wird eine Photospannung erzeugt.

Bei kommerziellen Solarmodulen dominieren derzeit anorganische Solarzellen auf der Basis von Si-basierten Absorbermaterialien, sogenannte Dünnschichtsolarzellen auf der Grundlage direkter Halbleiter (CuInGaSe - CIGS, CdTe) sind weitaus weniger verbreitet.

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Organische Solarzellen

Zwei organische Halbleiter mit spezifischen Energieniveaus bilden das so genannte Donator-Akzeptor-System organischer Solarzellen. Im sogenannten BHJ (Bulk Heterojunction)-Bautyp sind diese beiden Materialien in einer Schicht gemischt, und die Ladungsträger finden nach der Separation an den Donator-Akzeptor-Grenzflächen ihren Weg zu den Elektroden auf Perkolationspfaden.

Vorteile organischer Solarzellen (OSC) sind darin zu sehen, dass sie im Vergleich zu anorganischen Zellen sehr preiswert produziert werden können. Da vielfach Niedertemperaturprozesse und zum Teil sogar Drucktechniken eingesetzt werden, lassen sie sich auf flexiblen Substraten herstellen und sind deshalb gerade für mobile Anwendungen hervorragend geeignet. Die Vielfalt organischer Farbstoffe ermöglicht darüber hinaus sowohl eine sehr gute Anpassung der Absorption an das Sonnenspektrum als auch eine individuelle farbliche Gestaltung sowie die Fertigung halbtransparenter Zellen, wodurch sie für Architekturanwendungen äußerst interessant werden können.

Nachteile der OSC sind die derzeit noch deutlich geringeren Effizienzen und Lebensdauern im Vergleich zu anorganischen Zellen. Hier besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf im angewandten als auch im Grundlagenbereich.

In der AG Chassé am IPTC werden im Rahmen verschiedener durch Drittmittelgeber geförderter Projekte Forschungen zur Energieniveauanpassung an Elektroden- und Donator-Akzeptor-Grenzflächen sowie zu den Mechanismen der Degradation organischer Solarzellen durchgeführt.

Weitere Informationen unter AG Chassé.

[1] Electronic structure and interface properties of a model molecule for organic solar cells,
H. Hintz, H. Peisert, U. Aygül, F. Latteyer, I. Biswas, P. Nagel, M. Merz, S. Schuppler, D. Breusov, S. Allard, U. Scherf, T. Chassé, ChemPhysChem 11 (2010) 269-275.

[2] Photodegradation of P3HT - a systematic study of environmental factors,
H. Hintz, H.-J. Egelhaaf, L. Lüer, J. Hauch, H. Peisert, T. Chassé, Chemistry of Materials 23 (2011) 145–154.

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