Forschern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Universität Bayreuth ist im Bereich der organischen Photovoltaik ein wichtiger Schritt gelungen: Erstmals konnte die Struktur von langkettigen Molekülen so beeinflusst werden, dass sie von selbst elektronisch aktive Strukturen kleinster Abmessung erzeugen. Dieses neue Polymer verspricht wichtige Erkenntnisse für eine Entwicklung zukünftiger organischer Solarzellen.
„Obwohl es noch viele offene Fragen gibt, handelt es sich hierbei um einen vielversprechenden Schritt in Richtung maßgeschneiderter, optimierter Materialien für die organische Photovoltaik”, sagt Prof. Dr. Thomas Thurn-Albrecht, Leiter der Arbeitsgruppe „Experimentelle Polymerphysik“ in Halle. Während herkömmliche Solarzellen aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen, sind Materialien für organische Solarzellen aus organischen Molekülen aufgebaut. Oft handelt es sich hierbei um langkettige Moleküle, die als Polymere bezeichnet werden. Sie versprechen geringere Herstellungskosten und einen flexiblen Einsatz der Solarzelle. Bis zum anwendungsreifen Solarmodul aus Kunststoffmolekülen ist jedoch noch viel Forschungsarbeit nötig.
Die nun von den Forschern entdeckten Nanostrukturen in Form von Zylindern und Lamellen sind auf lange Zeit stabil und somit sehr gut für weiterführende Untersuchungen und kommende Anwendungen geeignet. Diese selbstständige Ausbildung von regelmäßigen mikroskopischen Mustern in den Polymeren war bislang unterdrückt und wurde erstmals im Rahmen der Kooperation von Physikern der Universität Halle und Chemikern der Universität Bayreuth realisiert. Sie stellten ein selbstorganisierendes Halbleitermaterial aus sogenannten Blockcopolymeren her und machten sich die Eigenschaft dieses speziellen Polymers zunutze, das die mikroskopischen Strukturen selbstständig herausbildet („Mikrophasenseparation“). Ausschlaggebend für die Anwendung in der organischen Photovoltaik ist der spezielle Aufbau des Blockcopolymers aus einem so genannten „Donorblock“ und einem „Aktzeptorblock“ mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Die entstehenden Nanostrukturen sind notwendig für eine effektive Ladungstrennung und die damit im Zusammenhang stehende Energieerzeugung.
Organische Solarzellen basieren auf Molekülen mit einer besonderen Elektronenstruktur. Bisher haben organische Solarzellen im Labor jedoch noch einen geringen Wirkungsgrad von unter zehn Prozent. Herkömmliche Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 18 Prozent.
Literatur: R. H. Lohwasser et al. Phase Separation in the Melt and Confined Crystallization as the Key to Well-Ordered Microphase Separated Donor–Acceptor Block Copolymers. Macromolecules vol. 46 pp. 4403-4410 (2013)
Tom Leonhardt