Organische Solarzellen Forscher entwickeln Molekül mit integriertem p/n-Übergang

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Organische Solarzellen scheiterten bisher an instabilen p/n-Übergängen. Forscher der Osaka Metropolitan University haben nun ein Molekül entwickelt, das sich selbst organisiert und kontrollierbare Strukturen bildet.

In der Photovoltaik-Forschung gelten organische Solarzellen seit Jahren als eine der vielversprechendsten Alternativen zur etablierten Silizium-Technologie. Sie versprechen flexible, leichte Energielösungen, die sich kostengünstig produzieren und in völlig neue Anwendungsbereiche integrieren lassen. Das reicht von biegbaren Displays bis hin zu textilen Solarzellen. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung blieb ihr Durchbruch aus, da die praktische Umsetzung von grundlegenden Problemen geplagt war.

Wissenschaftler der Osaka Metropolitan University haben nun entdeckt, dass das Problem nicht in den verwendeten Materialien lag, sondern in einem fundamentalen Konstruktionsfehler. Ihre in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlichte Forschung zeigt: Organische Solarzellen wurden bisher schlichtweg falsch gebaut. Die traditionelle Herangehensweise führte zu instabilen und schwer reproduzierbaren Herstellungsprozessen, die eine kommerzielle Nutzung verhinderten.

Instabile Grenzflächen und schwankende Leistungen

Das Grundproblem lag in der Erzeugung der p/n-Übergänge, die für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie notwendig sind. Bisher wurden die entscheidenden Strukturen nach dem sogenannten Bulk-Heterojunction-Prinzip hergestellt: Die zwei verschiedene Materialtypen p-Typ- und n-Typ werden physikalisch miteinander vermischt, um möglichst viele Kontaktstellen zu schaffen.

Das Verfahren erwies sich jedoch als fundamentaler Schwachpunkt. Denn bereits geringste Veränderungen der Herstellungsbedingungen führten zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen. Schwankt beispielsweise die Verarbeitungstemperatur leicht, wird ein anderes Lösungsmittel verwendet oder ändert sich die Trocknungszeit, entstehen unkontrollierbare Mischungen mit chaotischen Strukturen. Die Folge waren instabile Grenzflächen und schwankende Leistungen. Somit lässt sich keine zuverlässige Massenproduktion umsetzen.

Paradigmenwechsel durch molekulare Selbstorganisation

Die Forscher um Takeshi Maeda von der Osaka Metropolitan University haben einen neuen Weg eingeschlagen: Statt zwei verschiedene Materialien zu mischen, nutzen sie ein einziges Molekül namens TISQ, das sich selbst organisiert und nanoskalige p/n-Übergänge bildet. Dieser Bottom-up-Ansatz ermöglicht erstmals kontrollierbare und reproduzierbare Strukturen in organischen Solarzellen.

Bemerkenswert ist die Steuerung der molekularen Anordnung durch verschiedene Lösungsmittel. Polare Lösungsmittel erzeugen dabei J-Typ-Aggregate, die höhere Photoströme ermöglichen, während unpolare Lösungsmittel H-Typ-Aggregate bilden. Diese präzise Kontrollmöglichkeit war bei herkömmlichen Mischsystemen nicht gegeben und eröffnet völlig neue Wege in der Solarzellenentwicklung.

Potenzial für die Elektronikindustrie

Die Technologie räumt mit der weit verbreiteten Fehlannahme auf, dass organische Solarzellen aufgrund ihrer Materialien grundsätzlich ineffizient seien. Tatsächlich lag das Problem in der mangelnden Präzision bei der Ladungstrennung und dem Ladungstransport, die durch die chaotischen Mischstrukturen behindert wurden.

Obwohl die ersten Prototypen noch niedrige Effizienzwerte zeigen, beweist das Konzept seine grundsätzliche Funktionsfähigkeit. Die Selbstorganisation des TISQ-Moleküls ermöglicht es, die typischen Vorteile organischer Solarzellen wie Flexibilität, geringes Gewicht und Druckbarkeit zu erhalten und dabei gleichzeitig die Stabilität und Reproduzierbarkeit erheblich zu verbessern.

Für die Elektronikindustrie eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten für energieautarke Sensorsysteme im Internet der Dinge, Wearable Electronics mit integrierter Energieversorgung und flexible Displays mit selbstversorgenden Eigenschaften. Besonders interessant ist das Potenzial für Building-integrated Photovoltaics in Smart Buildings, wo die Kombination aus Effizienz und Verarbeitbarkeit entscheidend ist.

Ausblick auf industrielle Anwendungen

Die Forschungsergebnisse markieren einen wichtigen Meilenstein in der organischen Photovoltaik. Der neue Ansatz könnte mittelfristig zu stabilen, skalierbaren organischen Solarzellen führen, die erstmals das theoretische Potenzial dieser Technologie in praktische Anwendungen umsetzen.

Für Entscheider in der Elektronikindustrie wird entscheidend sein, wie schnell sich diese Grundlagenforschung in industrielle Fertigungsprozesse übertragen lässt. Die kontrollierte Selbstorganisation des TISQ-Moleküls verspricht dabei deutlich reproduzierbarere Herstellungsprozesse als bisherige Ansätze und könnte damit den Weg für eine kommerzielle Nutzung organischer Solarzellen ebnen. (heh)

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