Auf gutem Weg zur zukünftigen Hochleistungs-Solarzelle

7. Juni 2011, 18:11
61 Postings

Wegweisende Fortschritte zu kostengünstigen organischen Funktionsmaterialien mit möglichst breiter Lichtabsorption

Unter dem Stichwort "Light Harvesting", also "Lichternte", hat sich weltweit eine Forschungsrichtung etabliert, die Physik, Chemie und Materialwissenschaften miteinander verbindet. Ihr Ziel sind innovative Systeme der Stromerzeugung, die nach dem Vorbild der pflanzlichen Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. In diesem Zusammenhang interessiert sich die Forschung für neue und nicht zuletzt kostengünstige Materialien, welche die Effizienz von Solarzellen erheblich steigern können. Hierfür hat nun ein Forschungsteam der Universität Bayreuth, in Kooperation mit dem Fritz-Haber-Zentrum an der Hebräischen Universität Jerusalem, wegweisende Fortschritte vorgelegt.

Materialien, die einen viel größeren Anteil des einfallenden Sonnenlichts aufnehmen können als die in der Photovoltaik bisher üblichen Baustoffe, sind ein wichtiger Beitrag zu leistungsstärkeren Solarzellen. Nun setzt sich das Sonnenlicht aber aus Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammen. Diese werden bei einer Lichtbeugung - etwa in einem Regenbogen - als farbige Abschnitte eines Spektrums sichtbar. Die angestrebten Materialien sollen folglich in der Lage sein, das Sonnenlicht möglichst lückenlos aufzunehmen und Lichtenergie aus möglichst vielen Abschnitten des Spektrums zu absorbieren.

Organische Photovoltaikzellen

An der gezielten Erforschung solcher Materialien arbeitet ein Bayreuther Forschungsteam um Mukundan Thelakkat, der das EU-Forschungsprojekt LARGECELLS leitet. Hier geht es insbesondere darum, polymere Funktionsmaterialien für organische Photovoltaikzellen zu entwickeln; dies sind neuartige Solarzellen, die sich mit einem viel geringeren Energie- und Kostenaufwand herstellen lassen als rein anorganische Photovoltaikzellen aus Silizium.

In aktuellen Forschungsarbeiten verdichteten sich die Indizien, dass eine bestimmte Gruppe von Molekülen zu einer ungewöhnlich breiten Lichtabsorption fähig sein könnte. Der zentrale Baustein dieser Moleküle ist Naphthalin-Diimid (NDI); an zwei Stellen des NDI sind Thiophenringe angehängt. Jeder Thiophenring besteht aus vier Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen sowie einem Schwefelatom.

Die Moleküle, die das Interesse der Bayreuther Forscher geweckt haben, unterscheiden sich allein durch die Anzahl der Ringe, die - wie zwei Arme - links und rechts an das NDI angehängt werden: "NDI-1" heißt ein Molekül, das an jeder Seite jeweils einen Thiophenring hat; bei "NDI-2" sind es jeweils 2 Ringe; und so fort. Die Forscher fanden Hinweise daruaf, dass die verschiedenen NDI-Moleküle Lichtenergie aus jeweils verschiedenen Abschnitten des Spektrums absorbieren. Demnach könnte eine Mischung von NDI-Molekülen zu einer breiten Absorption des Sonnenlichts fähig sein.

Komplexe Prüfung vereinfacht

Diese Hypothese im Labor zu überprüfen, ist außerordentlich zeitaufwändig. Stephan Kümmel, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Theoretische Physik IV innehat, und sein Mitarbeiter Andreas Karolewski fanden jedoch einen Ausweg. Es gelang ihnen, die empirischen Laborversuche durch theoretische Berechnungen am Computer zu ersetzen. Mithilfe von Computersimulationen konnten sie nachweisen, dass modifizierte NDI-Moleküle Licht verschiedener Wellenlängen aufnehmen; je nachdem, wie viele Thiophenringe ihnen angehängt sind.

Mehr noch: Eine Mischung aus NDI-Molekülen, denen beidseitig bis zu sieben Thiophenringe angehängt sind, kann Lichtenergie aus fast allen Abschnitten des Sonnenlicht-Spektrums absorbieren; bis hin zu den energiearmen langwelligen Lichtstrahlen. Entscheidend ist dabei der Aufbau der NDI-Moleküle. Von den Thiophenringen, die wie zwei Arme an den Außenseiten hängen, wird elektrische Ladung in den NDI-Kern geleitet. Physikalisch gesprochen: Die Thiophenringe fungieren als Donor, der NDI-Kern als Rezeptor.

Bestätigung im Labor

Erste Laborversuche der Bayreuther Polymerwissenschaftler haben die Berechnungen bestätigt. Damit eröffnet sich eine hochinteressante Perspektive für eine neue Generation von Solarzellen. Denn eine Mischung aus NDI-Molekülen, die sich nur durch die Zahl der Thiophenringe unterscheiden, lässt sich im Industriemaßstab außerordentlich kostengünstig herstellen. Allerdings müssen zuvor weitere Aspekte geklärt werden, darunter etwa die Frage, wie die in dem neuen Material absorbierten hohen Energiemengen am effizientesten in Solarstrom umgesetzt werden. (red)

  • Bild nicht mehr verfügbar

    Das internationale Forschungsteam arbeitet an den Solarzellen der Zukunft. Im Zentrum steht ein organisches Material, das möglichst viel des Sonnenlicht-Spektrums absorbieren kann.

Share if you care.