Organische Schicht addiert das Licht
Die organischen Moleküle (hier in einer Kuvette) wandeln niedrigenergetische (rote) Photonen in höherenergetische („blaue“) Photonen um, die in eine Solarzelle zur Stromerzeugung beitragen können. © Y. Y. Cheng/UNSW
Solarzellen können nur Photonen mit einer bestimmten Mindestenergie für die Stromerzeugung nutzen. Ein deutsch-australisches Team hat ein organisches Material in Solarzellen eingesetzt, das Photonen mit niedriger Energie zu einem Photon mit höherer Energie „addiert“, dessen Energie für die Nutzung in der Solarzelle ausreicht. Nun geben die Forscher in einem eingeladenen Beitrag im renommierten Fachmagazin Energy & Environmental Science eine Übersicht über das interessante Phänomen der Aufkonversion und melden neue Ergebnisse. So bleiben die organischen Schichten länger stabil als erwartet und könnten sich auch für andere optoelektronische Bauteile eignen.
Jede Solarzelle nutzt nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums, da nur Photonenenergien überhalb einer materialspezifischen Grenzenergie freie Ladungsträger erzeugen. Eine Idee, um mehr „Farben“ des Lichts zu nutzen, ist die Aufkonversion: Dabei wird die Rückseite der Solarzelle mit einem Material beschichtet, das die niedrigenergetischen („roten“) Photonen zu höherenergetischen („blauen“) Photonen addiert und in die Solarzelle zurückwirft, wo sie zur Stromerzeugung beitragen. Seit 2011 forschen HZB-Wissenschaftler um Prof. Dr. Klaus Lips mit der University of New South Wales (Australien) an neuartigen Materialien, die diese Aufkonversion deutlich wirkungsvoller schaffen als bisherige Kandidaten wie Leuchtstoffe auf Basis von Lanthanid-Ionen.
Neue Klasse organischer Materialien
Die neue Klasse von Aufkonversions-Materialien basiert auf organischen Molekülen und nutzt die sogenannte Triplett-Triplett-Annihilation (TTA). Dabei zeichnet sich das Material sowohl durch hohe Absorptionskraft aus als auch durch potentiell hohe Quantenausbeute des Prozesses. Die ersten Laborversuche wurden 2012 bei Energy & Environmental Science veröffentlicht.
„Unsere erste Veröffentlichung ist bereits über 90-mal zitiert worden, daher erhielten wir im Sommer die Einladung von Energy & Environmental Science (EES), einen Review-Artikel zum Thema zu verfassen“, sagt Dr. Tim Schulze aus dem Team von Klaus Lips. Mit einem Impact Factor von >15 ist Energy & Environmental Science eine der profiliertesten Zeitschriften in diesem Gebiet.
Ergebnisse zur Lebensdauer und zur Stromausbeute
In dem eingeladenen Übersichtsartikel präsentiert Schulze nun nicht nur eine umfassende Übersicht über das Thema, sondern auch neue, bislang unveröffentlichte Daten zu TTA-Materialien : So hat Schulze zusammen mit den australischen Partnern um Prof. Timothy Schmidt nun auch die Langlebigkeit der TTA-Moleküle unter Bestrahlung untersucht – eine extrem kritische Größe bei organischen Materialien. Ihre Ergebnisse geben großen Anlass zur Hoffnung: selbst ein diesbezüglich noch nicht optimiertes TTA-System würde unter Sonneneinstrahlung immerhin einige Jahre halten! „Wir haben bereits Ansatzpunkte, um das Material weiter zu optimieren“, sagt Schulze.
Gleichzeitig präsentieren sie noch deutlich höhere Werte für die TTA-unterstützte Stromausbeute von Dünnschicht-Solarzellen. „Diese Werte sind zwar immer noch weit von einer konkreten Anwendung entfernt, jedoch deutlich höher als die besten mit Lanthanid-Ionen erreichten Ergebnisse“, erklärt Schulze. Und Klaus Lips merkt an: „Die TTA-Aufkonversion ist eine generische optische Technologie, die nicht nur Dünnschicht-Solarzellen, sondern potentiell auch die photoelektrochemische Produktion von Brennstoffen oder auch organische LEDs verbessern könnte.“ Natürlich geht die Zusammenarbeit mit dem Team an der University of New South Wales weiter, für 2015 sind neue gemeinsame Versuche geplant.
Notiz: Die von Prof. Klaus Lips 2011 mit einem DAAD-Stipendium initiierte Kooperation zwischen Berlin und Sydney wurde weiter intensiviert: Dr. Tim Schulze verbrachte mit einem Alexander-von-Humboldt-Stipendium ein Jahr als Postdoc in Sydney und trieb Materialentwicklung und Bauteilintegration voran. Zur selben Zeit verbrachte ein Doktorand aus Sydney (durch den DAAD gefördert) einige Wochen am HZB und nutzte die Infrastruktur des BeJEL, um die Spinphysik der TTA-Materialien besser zu verstehen.
Zum Review-Artikel 2014: Photochemical upconversion: Present status and prospects for its application to solar energy conversion, Tim Ferdinand Schulze and Timothy W Schmidt, Energy Environ. Sci., 2014
DOI: 10.1039/C4EE02481H
Zum Beitrag 2012: Yuen Yap Cheng, Burkhard Fückel, Rowan W MacQueen, Tony Khoury, Raphaël GCR Clady, Tim F Schulze, NJ Ekins-Daukes, Maxwell J Crossley, Bernd Stannowski, Klaus Lips and Timothy W Schmidt, Energy & Environmental Science 5, 6953-6959 (2012)
Zur Newsmeldung von 2012
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- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.