Forscher entwickeln flexible organische Solarzellen

Ein Team von Wissenschaftlern der Rice University, des Houston Community College und des Brookhaven National Laboratory hat flexible organische Photovoltaik entwickelt, die dort nützlich sein könnte, wo eine konstante, stromsparende Erzeugung ausreichend ist.

Organische Solarzellen basieren auf Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich Polymeren, im Gegensatz zu harten, anorganischen Materialien wie Silizium, um Sonnenlicht einzufangen und in Strom umzuwandeln. Organische Stoffe sind außerdem dünn, leicht, semitransparent und kostengünstig.

Während mittlere, kommerzielle, siliziumbasierte Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 22% arbeiten, liegen die organischen Zellen mit rund 15% an der Spitze.

„Es gab eine Steigerung der Effizienz dieser Geräte, aber auch die mechanischen Eigenschaften sind sehr wichtig. Wenn Sie Dinge dehnen oder biegen, erhalten Sie Risse in der aktiven Schicht und das Gerät versagt“, sagt Teamleiter Dr. Rafael Verduzco, Forscher am Department of Chemical and Biomolecular Engineering und am Department of Materials Science and Nanoengineering der Rice University.

„Ein Ansatz zur Lösung des spröden Problems wäre, Polymere oder andere organische Halbleiter zu finden, die von Natur aus flexibel sind, aber sein Labor hat einen anderen Weg eingeschlagen.“

„Unsere Idee war es, an den Materialien festzuhalten, die in 20 Jahren sorgfältig entwickelt wurden und die wir kennen, und einen Weg zu finden, ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern.“

Anstatt ein Netz zu bilden und die halbleitenden Polymere einzugießen, mischten Dr. Verduzco und Co-Autoren in Thiol-En-Reagenzien auf Schwefelbasis. Die Moleküle verschmelzen mit den Polymeren und vernetzen sich dann miteinander, um Flexibilität zu schaffen.

Das Verfahren ist nicht ohne Kosten, denn zu wenig Thiol-En lässt die kristallinen Polymere unter Belastung rissfähig werden, während zu viel die Effizienz des Materials dämpft.

„Wenn wir 50% der aktiven Schicht durch dieses Netz ersetzen würden, würde das Material 50% weniger Licht bekommen und der Strom würde fallen“, sagte Dr. Verduzco.

„Irgendwann ist es nicht mehr praktisch. Selbst nachdem wir bestätigt hatten, dass sich das Netzwerk bildete, mussten wir feststellen, wie viel Thiol-en wir zur Unterdrückung von Frakturen benötigten und wie viel wir maximal einsetzen konnten, ohne es als elektronisches Gerät wertlos zu machen.“

Bei etwa 20% Thiol-En fand das Team heraus, dass die Zellen ihre Effizienz beibehalten und an Flexibilität gewonnen haben.

Der nächste Schritt war das Strecken des Materials.

„Pure P3HT (die aktive Schicht auf Polythiophenbasis) begann bei etwa 6% Dehnung zu knacken“, sagte Dr. Verduzco.

„Wenn wir 10% Thiol-En zusetzen, können wir es auf 14% dehnen. Bei etwa 16% Dehnung begannen wir, Risse im gesamten Material zu sehen.“

Bei Dehnungen über 30% biegte sich das Material gut, wurde aber als Solarzelle nutzlos.

„Wir haben festgestellt, dass es im Wesentlichen keinen Verlust in unserem Photostrom bis zu etwa 20% gibt. Das scheint der Sweet Spot zu sein“, sagte Dr. Verduzco.

Die Studie ist in der Zeitschrift Chemistry of Materials veröffentlicht.

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