Die Mischung macht's: Magnetische Nanopartikel steigern Leistung von Solarzellen

2015-02-26 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Magnetische Nanopartikel können die Leistung von Kunststoff-Solarzellen steigern – sofern die Mischung stimmt. Das zeigen die Ergebnisse einer Untersuchung mit Röntgenlicht, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Physik-Department und vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) durchgeführt haben. Eine Beimischung der Nanopartikel von etwa einem Gewichtsprozent macht die Solarzellen effizienter, wie Forscher um Prof. Peter Müller-Buschbaum beobachtet haben. Sie stellen ihre Studie in einer der kommenden Ausgaben des Fachblatts „Advanced Energy Materials“ vor.

Leichte, flexible und halbtransparente organische Solarzellen (hier auf einem Glasträger für Forschungszwecke) werden aus Lösung und bei Raumtemperatur hergestellt. Bild: TU München

Sogenannte organische Solarzellen auf Kunststoffbasis besitzen großes Potenzial: Sie sind kostengünstig, flexibel und vielseitig einsetzbar. Ihr Nachteil gegenüber den etablierten Silizium-Solarzellen ist ihre geringere Stromausbeute. Typischerweise setzen sie nur wenige Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität um. Dennoch sind organische Solarzellen bereits an vielen Stellen wirtschaftlich, und Forscher suchen nach neuen Wegen, die Energieausbeute zu erhöhen.

Ein vielversprechender Weg ist die Beimischung von Nanopartikeln. So ließ sich zeigen, dass Gold-Nanopartikel zusätzliches Sonnenlicht absorbieren, das in der Solarzelle zusätzliche elektrische Ladungsträger erzeugt, wenn es von den Goldpartikeln wieder abgegeben wird.

Das Team um Müller-Buschbaum verfolgte einen anderen Ansatz. „Das Licht erzeugt in der Solarzelle jeweils ein Paar von Ladungsträgern, das aus einem negativ geladenen Elektron und einer Fehlstelle, einem sogenannten Loch, mit positiver Ladung besteht“, erläutert der Hauptautor der aktuellen Studie, Daniel Moseguí González aus der Gruppe von Müller-Buschbaum. „Die Kunst einer organischen Solarzelle ist, diese Elektron-Loch-Paare zu trennen, bevor sie sich wieder vereinen können. Denn dann wäre die zuvor erzeugte Ladung wieder verloren. Wir haben einen Weg gesucht, die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare zu verlängern, so dass mehr von ihnen getrennt und zu unterschiedlichen Elektroden geführt werden können.“

Bei dieser Taktik kommt die Quantenphysik ins Spiel: Sie besagt, dass Elementarteilchen wie das Elektron eine Art Eigendrehung besitzen, den sogenannten Spin. Dieser Spin hat nach den Regeln der Quantenphysik den Wert 1/2. Auch das positiv geladene Loch hat einen Spin von 1/2. Diese beiden Spins können sich entweder addieren, wenn sie gleich gerichtet sind, oder subtrahieren, wenn sie entgegengesetzt gerichtet sind. Das Elektron-Loch-Paar kann also einen Gesamtspin von 0 oder 1 besitzen. Paare mit einem Spin von 1 existieren länger als solche mit einem Gesamtspin 0.

Kristalline Strukturen innerhalb einer organischen Solarzelle führen zu charakteristischen Streubildern in den Synchrotronstrahlungsexperimenten. Bild: TU München

Die Forscher suchten nun ein Material, das in der Lage ist, den Spin-0-Zustand in einen Spin-1-Zustand umzuwandeln. Dazu sind Nanopartikel aus schweren Elementen nötig, durch die der Spin eines Elektrons oder eines Lochs umgeklappt wird, so dass beide Spins des Paars gleich gerichtet sind. Tatsächlich kann Magnetit (Fe:sub:3O₄) dies leisten. „Die Beimischung von Magnetit-Nanopartikeln erhöhte den Wirkungsgrad der Solarzellen in unserem Versuch um bis zu 11 Prozent“, berichtet Moseguí González. Die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare wird signifikant erhöht.

Die Beimischung von Nanopartikeln ist dabei eine Routinetechnik, die sich in den verschiedenen Produktionsverfahren von organischen Solarzellen problemlos anwenden lässt. Wichtig ist jedoch, dass nicht zu viele Nanopartikel in die Solarzelle gemischt werden. Denn organische Solarzellen besitzen eine sorgfältig abgestimmte innere Struktur, bei der die lichtsammelnden aktiven Materialien mit optimalen Längenskalen gemischt sind, um die Ladungsträger-Paare möglichst effizient zu trennen. Diese Strukturen liegen im Bereich von 10 bis 100 Nanometern.

„Werden sehr viele Nanopartikel in das Material der Solarzelle gemischt, verändert sich die Struktur des Materials, wie die Röntgenuntersuchung gezeigt hat“, erläutert Ko-Autor Dr. Stephan Roth, Leiter der DESY-Messstation P03 an PETRA III, an der die Versuche stattfanden. „Die untersuchte Solarzelle kann eine Dotierung mit Magnetit-Nanopartikeln von bis zu einem Gewichtsprozent verkraften, ohne dass sich die Struktur ändert.“

Den größten Effekt beobachteten die Wissenschaftler bei einer Dotierung mit 0,6 Gewichtsprozent Nanopartikeln. Die Effizienz der untersuchten Kunststoffsolarzelle stieg dabei von 3,05 Prozent auf 3,37 Prozent. „11 Prozent zusätzliche Energieausbeute können durchaus über die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung entscheiden“, betont Forschungsleiter Müller-Buschbaum.

Die Forscher erwarten, dass sich auch die Leistung anderer Kunststoff-Solarzellen durch die Dotierung mit Nanopartikeln weiter steigern lässt. „Die Kombination von leistungsfähigen Polymeren mit Nanopartikeln lässt also für die Zukunft noch weitere Steigerungen der Effizienzen von organischen Solarzellen erwarten. Ohne eine detaillierte Untersuchung, wie zum Beispiel mit Röntgenstrahlung eines Synchrotrons, ist ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse aber nicht zu erlangen“, summiert Müller-Buschbaum.

Redaktion

Till Mundzeck (DESY), Dr. Johannes Wiedersich