Gerade im Hinblick auf die immer schneller wachsende Klimaerw\u00e4rmung werden erneuerbare Energien k\u00fcnftig eine immer gr\u00f6\u00dfere Rolle spielen. Bisher ist der Anteil solcher Energien in Deutschland aber noch recht gering. So lag beispielsweise der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung im vergangenen Jahr gerade mal bei 7,4 Prozent. Eine Bilanz, die unter anderem auch an der relativ geringen Ausbeute an Strom liegt, die derartige Anlagen erzeugen.
Zwar kann die Sonne bei wolkenlosem Himmel in unseren Breitengraden eine Strahlungsenergie von circa 1.000 Watt pro Quadratmeter liefern, die markt\u00fcblichen monokristallinen Silizium-Solarzellen wandeln aber nur bis zu etwa 20 Prozent in Strom um.<\/p>\n\n\n\n
Noch schlechter schneiden organische Solarzellen ab, bei denen die Effizienz lediglich bei maximal 12,6 Prozent liegt. Diesen Weltrekord f\u00fcr organische Photovoltaik-Module (OPV) h\u00e4lt seit September 2019 die Forschungsgruppe um Prof. Christoph Brabec, Direktor des Instituts f\u00fcr Materialien in der Elektronik und Energietechnologie (i-MEET<\/a>) am Lehrstuhl f\u00fcr Werkstoffwissenschaften der FAU<\/a>. Die Vorteile organischer Solarzellen l\u00e4gen auf der Hand, betonen die Wissenschaftler: Sie seien d\u00fcnn und biegsam wie eine Folie und lie\u00dfen sich leicht an verschiedene Substrate anpassen. \u201e\u00dcber das verwendete Makromolek\u00fcl l\u00e4sst sich die Wellenl\u00e4nge ,einstellen\u2018, bei der das Sonnenlicht absorbiert wird.\u201c So w\u00fcrde beispielsweise ein mit organischen Solarzellen beschichtetes B\u00fcrofenster, das im roten und infraroten Spektralbereich absorbiert, nicht nur die W\u00e4rmestrahlung abschirmen, sondern gleichzeitig Strom erzeugen. \u201eEin Kriterium, das angesichts der Klimakrise immer wichtiger wird, ist die Betriebsdauer, ab der eine Solarzelle mehr Energie erzeugt, als ihre Herstellung verbraucht hat. Diese sogenannte Energier\u00fccklaufzeit ist stark abh\u00e4ngig von der verwendeten Technologie und dem Standort der Photovoltaik (PV)-Anlage.\u201c Dar\u00fcber hinaus hat die organische Solarzelle im Vergleich mit der \u201eklassischen\u201c Silizium-Solarzelle noch einen weiteren, entscheidenden Nachteil: Das Sonnenlicht erzeuge nicht sofort freie Ladungen f\u00fcr den Stromfluss, erkl\u00e4rt Dr. Heum\u00fcller, sondern sogenannte Exzitonen, in denen die positiven und negativen Ladungen noch gebunden sind. \u201eUm zu freien Ladungen zu kommen, mit denen Elektrizit\u00e4t gewonnen werden kann, braucht es einen Akzeptor, der nur die negative Ladung anzieht und damit zur Ladungstrennung f\u00fchrt.\u201c<\/p>\n\n\n\n Mehr Artikel zum Thema Solarenergie finden Sie hier<\/strong><\/em><\/a><\/p>\n\n\n\n Um die Ladungen zu trennen, sei eine gewisse Triebkraft n\u00f6tig, die sogenannte driving force, die von der Molekularstruktur der verwendeten Polymere abh\u00e4ngt. Bisher wurden haupts\u00e4chlich bestimmte Molek\u00fcle aus der Stoffklasse der Fullerene als Elektronenakzeptoren in organischen Solarzellen eingesetzt, da sie eine gro\u00dfe Triebkraft besitzen. Mittlerweile wissen die Forscher aber, dass \u201eeine gro\u00dfe Triebkraft auf Kosten der elektrischen Spannung geht\u201c. Das bedeutet, dass die Leistung der Solarzelle sinkt, \u201egem\u00e4\u00df der f\u00fcr Gleichstrom geltenden Formel Leistung gleich Spannung mal Stromst\u00e4rke\u201c.<\/p>\n\n\n\n Um herauszufinden, wie klein die driving force werden kann, um gerade noch eine vollst\u00e4ndige Ladungstrennung des Exzitons zu erreichen, verglich Andrej Classen Kombinationen aus vier Donor- und f\u00fcnf Akzeptorpolymeren. Diese hatten ihr Potenzial f\u00fcr organische Solarzellen bereits bewiesen und Classen stellte daraufhin unter exakt den gleichen Bedingungen 20 Solarzellen mit einer Triebkraft von nahe Null bis 0,6 Elektronenvolt her. Gerade im Hinblick auf die immer schneller wachsende Klimaerw\u00e4rmung werden erneuerbare Energien k\u00fcnftig eine immer gr\u00f6\u00dfere Rolle spielen. Bisher ist der Anteil solcher Energien in Deutschland aber noch recht gering. So lag beispielsweise der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung im vergangenen Jahr gerade mal bei 7,4 Prozent. 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Das mehrzellige Modul mit einer Fl\u00e4che von 26 cm\u00b2 wurde am Energie Campus N\u00fcrnberg (EnCN)<\/a> entwickelt. \u201eWenn wir im Labor auf \u00fcber 20 Prozent kommen, erreichen wir in der praktischen Anwendung vielleicht 15 Prozent und k\u00f6nnen damit der Silizium-Solarzelle echte Konkurrenz machen\u201c, sagt Prof. Brabec.
Au\u00dferdem sind organische Solarzellen bisher auch weniger stabil, sind aber andererseits gegen\u00fcber denen aus kristallinem Silizium in einigen Punkten \u00fcberlegen. Die Herstellung ist g\u00fcnstiger und sie k\u00f6nnen flexibler genutzt werden. Prof. Brabec und seine Gruppe arbeiten deshalb seit Jahren daran, die Nachteile zu verringern. Einer der Studenten, der FAU-Nachwuchswissenschaftler Andrej Classen, konnte nun im Rahmen einer Doktorarbeit zeigen, dass die Effizienz \u00fcber lumineszente Akzeptormolek\u00fcle gesteigert werden kann.<\/p>\n\n\n\nFenster als Stromerzeuger<\/h3>\n\n\n\n
Diese Energier\u00fccklaufzeit von PV-Modulen auf Siliziumbasis liegt laut neuester Berechnungen des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Solare Energiesysteme (ISE) in der Schweiz bei 2,5 \u2013 2,8 Jahren. Bei organischen Solarzellen l\u00e4ge die Energier\u00fccklaufzeit nur bei wenigen Monaten, sagt Dr. Thomas Heum\u00fcller, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl von Prof. Brabec.<\/p>\n\n\n\nLeistungsverlust f\u00fcr die Ladungstrennung<\/h3>\n\n\n\n
Bestimmte Molek\u00fcle steigern die Leistung<\/h3>\n\n\n\n
Anhand der Messergebnisse lieferte er erstmals den Beweis f\u00fcr ein bereits in der Forschung angenommenes Boltzmann-Gleichgewicht zwischen Exzitonen und getrennten Ladungen, den sogenannten Charge transfer (CT)-Zust\u00e4nden. \u201eJe mehr die Triebkraft gegen Null geht, desto mehr liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Exzitons\u201c, sagt Dr. Larry L\u00fcer, Spezialist f\u00fcr Photophysik in der Arbeitsgruppe Brabec. Daher m\u00fcsse sich die Forschung zuk\u00fcnftig darauf konzentrieren, das Exziton am Abklingen zu hindern, das hei\u00dft, dessen Anregungs-\u201eLebensdauer\u201c zu erh\u00f6hen. Bisher habe man sich nur auf die Lebensdauer des CT-Zustandes konzentriert.
Das Abklingen des Exzitons k\u00f6nne durch Aussendung von Licht (Lumineszenz) oder durch W\u00e4rmeentwicklung geschehen. Durch geschickte Modifikation des Polymers k\u00f6nnte die W\u00e4rmebildung auf ein Minimum reduziert werden, so dass vor allem die Lumineszenz \u00fcbrigbleibt.\u00a0 \u201eDie Effizienzsteigerung organischer Solarzellen f\u00fchrt daher \u00fcber hoch lumineszente Akzeptor-Molek\u00fcle\u201c, betont Classen.
Andrej Classens Arbeit ist in der Fachzeitschrift \u201eNature Energy<\/a>\u201c erschienen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"