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Fotovoltaik: Komposit-Solarzellen mit Fullerenen als verbindendem Element

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Elektronische Bauteile kann man heute nicht mehr nur aus Silizium und anderen metallhaltigen Halbleitern herstellen, sondern auch aus maßgeschneiderten Kunststoffen. Insbesondere bei Solarzellen machen sich die Vorteile des "organischen" Ansatzes – einfache Verarbeitung und niedriger Preis – bemerkbar, zumal in Zukunft sehr große Flächen dieser Zellen benötigt werden, um den Energiehunger der Menschheit zu decken.

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Buckyball | Fullerene stellen neben Graphit und Diamant eine dritte Erscheinungsform elementaren Kohlenstoffs dar.
Doch noch reichen die elektrischen Eigenschaften selbst moderner Spezialkunststoffe nicht an die metallischer oder oxidischer Werkstoffe heran, und im Wirkungsgrad sind klassische Solarzellen noch weit überlegen. Deswegen versuchen sich Solarzellenentwickler neuerdings an einer Kombination der Typen, um die spezifischen Vorteile beider Werkstofftypen voll ausnutzen zu können. Doch man braucht noch eine Zutat, fanden Wissenschaftler aus Großbritannien und Singapur nun heraus: Fullerene bilden die Brücke zwischen organischen und anorganischen Bauteilen.

Es ist genau diese Grenzfläche, die in bisherigen Zellen dieses Typs die größten Probleme machte. Licht erzeugt in der Solarzelle angeregte Elektronen, die über die Elektrode, einen dünnen Zinkoxidfilm, in den Stromkreis eingespeist werden sollen. Die angeregten Elektronen entstehen jedoch nicht allein, sondern gebunden als Quasiteilchen aus dem Elektron und der durch sein Fehlen erzeugten positiven Ladung, Loch genannt. Diese beiden Ladungen müssen voneinander getrennt werden, damit die Zelle Strom erzeugt, doch genau da hat das ansonsten gut geeignete Zinkoxid seine Schwächen: Die Elektronen können nur schwer aus dem Polymer in das Oxid wechseln. Zwei Drittel der angeregten Elektronen fallen vorher wieder in die Löcher zurück und gehen so verloren.

Eine Oberflächenbeschichtung aus einer genau ein Molekül dicken Schicht aus Buckminster-Fullerenen, entwickelt von einem Team um Richard Friend von der Cambridge University, schafft nun Abhilfe. Die Käfigmoleküle aus 60 Kohlenstoffatomen binden über eine kurze Kohlenstoffkette an das Oxid und verändern die Eigenschaften der Oberfläche stark. Sie sind chemisch der Struktur des Polymers ähnlicher, so dass die angeregten Elektronen leicht in die Oberflächenschicht wechseln, während die Löcher im Polymer zurückbleiben und zur gegenüberliegenden Elektrode wandern.

Die Fullerene haben allerdings noch einen weiteren Effekt: Sie ziehen Elektronen aus der Elektrode heraus, so dass die Schicht selbst negativ, das Oxid dagegen positiv geladen ist. Das entstehende elektrische Feld zieht die angeregten Elektronen, sobald sie in die Beschichtung gewechselt sind, mit hoher Effizienz in die Elektrode hinein. Die Daten der Forscher zeigen, dass dank der neuen Beschichtung jedes nahe der Elektrode im Polymer angeregte Elektron in den Stromkreis gelangt – eine Solarzelle mit dieser Technik würde Licht dreimal so effizient in Strom umwandeln wie ihre Vorgänger. (lf)
33. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33. KW 2010

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  • Quellen
Vaynzof, Y. et al.: Improved photoinduced charge carriers separation in organic-inorganic hybrid photovoltaic devices. In: Applied Physics Letters 97, 033309, 2010.

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