Neuer Rekord für organische Solarzellen

Solarzellen aus organischen Substanzen statt aus Silizium bieten viele Vorteile: Je nach Produktionsverfahren lassen sie sich beispielsweise flexibel verbiegen und zudem günstiger fertigen als herkömmliche Photovoltaikmodule. Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen fiel mit etwa 14 Prozent bisher allerdings deutlich niedriger aus als der von Siliziumzellen. In der Fachzeitschrift „Science“ stellen Wissenschaftler nun eine neue organische Solarzelle vor – mit einem Rekordwirkungsgrad von 17,3 Prozent. 

Vor dem Bau ihrer Prototypen untersuchten die Forscher um Yongsheng Chen von der Nankai Universität im chinesischen Tianjin die Ursachen für die bisher niedrigen Wirkungsgrade von organischen Solarzellen. Als wichtigsten Grund identifizierten sie die geringe Beweglichkeit von Ladungsträgern und die daraus folgende verminderte Absorption von Sonnenlicht durch die lichtaktiven Substanzen. Um dieses Problem zu beheben, wählte das Team zunächst geeignete organische Materialien aus und kombinierte diese in Tandemzellen. Bei diesem Konzept absorbieren pro Solarzelle gleich zwei lichtaktive Schichten das Sonnenlicht und wandeln es in elektrischen Strom um. Die obere Schicht nutzt Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 und 720 Nanometern und erreicht die maximale Effizienz bei 560 Nanometern. Die untere Schicht fängt dagegen Licht im Wellenlängenbereich zwischen 720 und 1050 Nanometern ein.

Für ihre Prototypen betteten Chen und seine Kollegen die beiden lichtaktiven Substanzen in einen Stapel aus insgesamt neun Lagen ein, der sich unter anderem aus elektrisch leitfähigen Elektroden, nicht leitenden Trennschichten und einer transparenter Deckschicht zusammensetzt. Testmessungen mit mehr als fünfzig Solarzellen ergaben einen mittleren Wirkungsgrad von knapp 17 Prozent. Einzelne organische Tandemzellen erreichten sogar einen Wert von 17,3 Prozent bei einer Spannung von etwa 1,6 Volt. Ein Langzeitversuch zeigte, dass diese Effizienz binnen 166 Tagen nur um vier Prozent abnahm.

„Mit diesem Wirkungsgrad bewegen sich die organischen Tandemzellen nur noch knapp unter den Wirkungsgraden der kommerziellen Solarzellenindustrie“, sagt Chen. In weiteren Entwicklungsschritten wollen die Forscher die Haltbarkeit der organischen Tandemzellen – insbesondere in feuchter Umgebung – weiter steigern. Chen hält es sogar für möglich, den Wirkungsgrad auf bis zu 25 Prozent zu steigern. Spätestens dann können organische Solarzellen mit den etablierten Siliziumsolarzellen und den ebenfalls vielversprechenden Perowskitsolarzellen konkurrieren.