Magnetische Nanopartikel sind das Doping für Solarzellen

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Stimmt die Mischung, können magnetische Nanopartikel  die Leistung von Kunststoff-Solarzellen steigern. Forscher sprechen von einer zusätzlichen Energieausbeute von elf Prozent. Und das kann durchaus über die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung entscheiden.

Organischen Solarzellen traut man viel zu. Vor allem weil sie kostengünstig, flexibel und vielseitig einsetzbar sind, werden sie bereits an vielen Stellen wirtschaftlich eingesetzt. Und das obschon sie im Vergleich mit etablierten Silizium-Solarzellen eine geringere Stromausbeute aufweisen. Typischerweise setzen sie nur wenige Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität um. Aus diesem Grund wurden unter anderem Gold-Nanopartikel beigemischt, um die Effizienz solcher Kunststoff-Solarzellen zu steigern. Diese absorbieren zusätzliches Sonnenlicht, das in der Solarzelle zusätzliche elektrische Ladungsträger erzeugt, wenn es von den Goldpartikeln wieder abgegeben wird.

Damit geben sich allerdings die Forscher um Professor Peter Müller-Buschbaum von der Technischen Universität München nicht zufrieden. Sie verfolgen einen anderen Ansatz, wie Daniel Moseguí González aus der Gruppe von Müller-Buschbaum und Hauptautor der aktuellen Studie erklärt: „Das Licht erzeugt in der Solarzelle jeweils ein Paar von Ladungsträgern, das aus einem negativ geladenen Elektron und einer Fehlstelle, einem sogenannten Loch, mit positiver Ladung besteht“, erläutert der Hauptautor der aktuellen Studie, Daniel Moseguí González aus der Gruppe von Müller-Buschbaum. „Die Kunst einer organischen Solarzelle ist, diese Elektron-Loch-Paare zu trennen, bevor sie sich wieder vereinen können. Denn dann wäre die zuvor erzeugte Ladung wieder verloren. Wir haben einen Weg gesucht, die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare zu verlängern, so dass mehr von ihnen getrennt und zu unterschiedlichen Elektroden geführt werden können.“

Erkenntnisse aus der Quantenphysik

Die Forscher nutzen dabei die Erkenntnisse der Quantenphysik: Sie besagt, dass Elementarteilchen wie das Elektron eine Art Eigendrehung besitzen, den sogenannten Spin. Dieser Spin hat nach den Regeln der Quantenphysik den Wert 1/2. Auch das positiv geladene Loch hat einen Spin von 1/2. Diese beiden Spins können sich entweder addieren, wenn sie gleich gerichtet sind, oder subtrahieren, wenn sie entgegengesetzt gerichtet sind. Das Elektron-Loch-Paar kann also einen Gesamtspin von 0 oder 1 besitzen. Paare mit einem Spin von 1 existieren länger als solche mit einem Gesamtspin 0.

Nun galt es ein Material zu finden, das in der Lage ist, den Spin-0-Zustand in einen Spin-1-Zustand umzuwandeln. Dazu sind Nanopartikel aus schweren Elementen nötig, durch die der Spin eines Elektrons oder eines Lochs umgeklappt wird, so dass beide Spins des Paars gleich gerichtet sind. Tatsächlich kann Magnetit (Fe3O4) dies leisten. „Die Beimischung von Magnetit-Nanopartikeln erhöhte den Wirkungsgrad der Solarzellen in unserem Versuch um bis zu 11 Prozent“, erzählt González. Die Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare wird signifikant erhöht.

Auf die richtige Dosierung kommt es an

Die Beimischung von Nanopartikeln ist dabei eine Routinetechnik, die sich in den verschiedenen Produktionsverfahren von organischen Solarzellen problemlos anwenden lässt. Wichtig ist jedoch, dass nicht zu viele Nanopartikel in die Solarzelle gemischt werden. Denn organische Solarzellen besitzen eine sorgfältig abgestimmte innere Struktur, bei der die lichtsammelnden aktiven Materialien mit optimalen Längenskalen gemischt sind, um die Ladungsträger-Paare möglichst effizient zu trennen. Diese Strukturen liegen im Bereich von 10 bis 100 Nanometern.

„Werden sehr viele Nanopartikel in das Material der Solarzelle gemischt, verändert sich die Struktur des Materials, wie die Röntgenuntersuchung gezeigt hat“, erläutert Ko-Autor Stephan Roth, Leiter der DESY-Messstation P03 an PETRA III, an der die Versuche stattfanden. „Die untersuchte Solarzelle kann eine Dotierung mit Magnetit-Nanopartikeln von bis zu einem Gewichtsprozent verkraften, ohne dass sich die Struktur ändert.“ Den größten Effekt beobachteten die Wissenschaftler bei einer Dotierung mit 0,6 Gewichtsprozent Nanopartikeln. Die Effizienz der untersuchten Kunststoffsolarzelle stieg dabei von 3,05 Prozent auf 3,37 Prozent. „11 Prozent zusätzliche Energieausbeute können durchaus über die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung entscheiden“, betont Forschungsleiter Müller-Buschbaum.

Die Forscher erwarten, dass sich auch die Leistung anderer Kunststoff-Solarzellen durch die Dotierung mit Nanopartikeln weiter steigern lässt. „Die Kombination von leistungsfähigen Polymeren mit Nanopartikeln lässt also für die Zukunft noch weitere Steigerungen der Effizienzen von organischen Solarzellen erwarten. Ohne eine detaillierte Untersuchung, wie zum Beispiel mit Röntgenstrahlung eines Synchrotrons, ist ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse aber nicht zu erlangen“, summiert Müller-Buschbaum.