Organische Tandem-Solarzellen

Themenvorschlag für eine Bachelor- oder Masterarbeit
Organische Tandem-Solarzellen
Organische Solarzellen auf Basis leitfähiger Polymere haben einige erstaunliche Eigenschaften. So
lassen sie sich beispielsweise aus flüssiger Phase prozessieren und können dadurch im Prinzip wie
eine Zeitung auf flexible Substrate gedruckt werden. Die organischen Absorber weisen dabei in
einem bestimmten Spektralbereich außerordentlich hohe Absorptionskoeffizienten auf, so dass
bereits sehr dünne Schichten von etwa 100 nm ausreichen, um Licht entsprechender Wellenlängen
mit einer hohen Konversionsrate in elektrischen Strom zu wandeln. In der organischen Photovoltaik
hat sich ein Materialsystem aus dem Polymer Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und dem
Fulleren-Derivat [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) bewährt und zu einem
„Arbeitspferd“ für zahlreiche, tiefergehende physikalische Untersuchungen etabliert. Abbildung 1
zeigt die Strukturformeln für das P3HT/PCBM-System und auch ein Absorptionsspektrum einer
P3HT:PCBM-Dünnschicht im Vergleich zum Sonnenlichtspektrum. Als ein Nachteil des Systems ist
ersichtlich, dass sich die Absorption nur über ein vergleichsweise schmales Wellenlängenintervall
erstreckt. Weite Teile des Sonnenspektrums können somit nicht von der Solarzelle verwertet werden
und bleiben ungenutzt. Eine Strategie die Ausbeute zu erhöhen ist die Herstellung von TandemSolarzellen, bei welchen 2 organische Solarzellen aus Polymer/Fulleren-Systemen mit
unterschiedlichen Absorptionsbereichen übereinander gestapelt werden (siehe Abb. 1, links). In der
ersten Absorberschicht sollen kurzwellige Photonen in Strom gewandelt werden, während
langwelliges Licht transmittiert und erst in der 2. Zelle genutzt wird.
Abbildung 1. Links: Aufbau einer typischen organischen Tandem-Solarzelle. Mitte: Die erste Absorberschicht kann
beispielsweise aus dem Polymer Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und dem Fulleren-Derivat [6,6]-Phenyl-C61buttersäuremethylester (PCBM) bestehen. Rechts: Absorption einer P3HT:PCBM-Schicht im Vergleich zum Sonnenspektrum
(AM1.5g).
Ein Nachteil der gezeigten Struktur von Tandem-Solarzellen ergibt sich allerdings daraus, dass die
beiden Solarzellen dabei in Serie geschaltet sind, so dass die schlechtere Zelle den Strom begrenzt.
Eine Alternative wäre eine Parallelschaltung, wofür allerdings die erste Zelle zwei partiell
transparente Elektroden besitzen muss.
Im Rahmen der zu vergebenden Arbeit (der Arbeitsumfang ist anpassbar) sollen ausgehend von
bestehenden Vorarbeiten in unserer Arbeitsgruppe organische Solarzellen mit 2 verschiedenen
Kombinationen von leitfähigen Polymeren und Fullerenderivaten zu Tandem-Solarzellen kombiniert
werden. Dabei sollen insbesondere durch Variation der Materialien für die Elektroden und
Zwischenschichten serien- und parallelverschaltete Tandem-Konzepte erarbeitet und verglichen
werden. Die praktische Arbeit umfasst die Präparation der organischen Solarzellen sowie deren
elektrische und optische Charakterisierung.
Das Thema richtet sich an motivierte Studenten mit Grundkenntnissen auf dem Gebiet der
Festkörperphysik sowie Interesse an regenerativen Energien. Wir bieten neben einem angenehmen
Arbeitsumfeld und einer modernen Laborausstattung die Möglichkeit, in einer thematisch breit
gefächerten Arbeitsgruppe aktiv an einem aktuellen Thema der Energieforschung an der Schnittstelle
zwischen Physik, Chemie und Materialwissenschaften mitzuarbeiten.
Ansprechpartner:
Dr. Holger Borchert, Raum W1A 2-202, [email protected]
Sebastian Wilken, Raum W2 1-190, [email protected]
Stand: Januar 2015