Solarzellen nach dem Baukastenprinzip
Computeralgorithmus sucht neue Materialien für organische Solarzellen
Organische Materialien auf der Basis von Kohlenstoff werden heute bereits in großem Umfang für Displays verwendet, aber sie sind auch vielversprechende Materialien für neue Solarzellen. Die Entwicklung maßgeschneiderter Eigenschaften ist jedoch zeitaufwändig und erfordert eine umfangreiche chemische Synthese und Charakterisierung. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung wurde nun ein neues Simulationsverfahren entwickelt, das bereits bekannte molekulare Bausteine zu neuen Strukturen kombiniert und mit dem Wirkungsgrad von Solarzellen korreliert und so die Entwicklungsprozesse deutlich vereinfachen könnte.
Organische Solarzellen könnten eine entscheidende Rolle für den Umstieg auf erneuerbare Energien spielen. Ein kostengünstiger Syntheseweg und eine hohe Effizienz der Zellen sind jedoch entscheidend, um diesen Schritt zu unterstützen. Die Entdeckung einer neuen Materialklasse, die als "Non-Fullerene-Akzeptor" bekannt ist, ermöglicht einen kostengünstigen Syntheseweg im Vergleich zu den traditionelleren Silizium-Solarzellen und bietet gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad als die ersten organischen Solarzellen.
Das Design dieser "Non-Fullerene-Akzeptor"-Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für den Einsatz in Solarzellen ist nach wie vor eine Herausforderung. In der Gruppe von Denis Andrienko im Arbeitskreis von Kurt Kremer am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun mit Kolleginnen und Kollegen eine neue simulationsbasierte Design-Methode entwickelt, um dieses Verfahren zu vereinfachen. Die Entwurfsmethodik nutzt bereits bekannte organische Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden, indem sie in mehrere Bausteine zerlegt werden. Diese Fragmente bestehen entweder aus elektronenabgebenden oder elektronenaufnehmenden molekularen Komponenten, sogenannten "Akzeptoren" und "Donatoren". Donator- und Akzeptor-Bausteine aus verschiedenen bekannten Solarzellen können kombiniert werden, um daraus neue "Non-Fullerene-Akzeptor"-Moleküle für den Einsatz in Solarzellen zu erhalten.
"Es ist eine Herausforderung, aus der großen Zahl existierender molekularer Verbindungen die richtige auszuwählen - deshalb greifen wir mit unserer Methode auf bereits existierende Solarzellen zu und kombinieren deren molekulare Bausteine zu neuen Solarzellen", sagt Kun-Han Lin, ein Mitautor der Studie.
Der Entwurfsalgorithmus enthält Einschränkungen, die die Anzahl möglicher "Non-Fullerene-Akzeptor"-Moleküle reduzieren - wie z. B. molekulare Symmetrie, Quadrupolmoment, Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität. So sind beispielsweise in Fällen, in denen eine Akzeptor-Donor-Akzeptor-Kombination verwendet wird, die beiden Akzeptor-Bausteine immer vom gleichen Typ.
Diese Design-Methode ist bereits vielversprechend und hilft, die Effizienz von Solarzellen vorherzusagen, bevor die Materialien tatsächlich synthetisiert werden.
"Wir waren begeistert, als wir feststellten, dass unsere Methode funktionierte: Von 12 vorhergesagten effizienten Solarzellen wurden bereits 10 hergestellt, und sie sind hocheffizient", so Andrienko.
Sie haben ihre Arbeit in der renommierten Zeitschrift "Advanced Energy Materials" veröffentlicht.
