Polymer/Fulleren-Solarzellen mit verschiedenen

Themenvorschlag für eine Bachelor- oder Masterarbeit
Polymer/Fulleren-Solarzellen mit verschiedenen Absorbermaterialien
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 Konversionrate 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
skizziert einen typischen Zellaufbau, zeigt die Strukturformeln für das P3HT/PCBM-System und auch
ein Absorptionsspektrum einer P3HT:PCBM-Dünnschicht im Vergleich zum Sonnenlichtspektrum.
Abbildung 1. Aufbau einer typischen organischen Solarzelle mit einem Absorber aus dem Polymer Poly(3-hexylthiophen2,5-diyl) (P3HT) und dem Fulleren-Derivat [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM). Rechts ist die Absorption einer
P3HT:PCBM-Schicht im Vergleich zum Sonnenspektrum (AM1.5g) gezeigt.
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. Dies ist einer der Gründe dafür, warum
organische Solarzellen aus den gängigen Materialien den konventionellen anorganischen Systemen
wie kristallines Silizium bezüglich ihres Wirkungsgrades noch deutlich unterlegen sind. Hieraus hat
sich in den vergangenen Jahren ein Forschungszweig entwickelt, der auf die Entwicklung und
Verwendung neuer Polymere abzielt, welche einen breiteren Spektralbereich des Sonnenspektrums
verwerten können. Aufgrund der geringeren Energielücke zwischen dem höchsten besetzten und
niedrigsten unbesetzten Molekülorbital spricht man dabei von „low band gap“-Polymeren. Einige
solcher Materialien sind bereits kommerziell erhältlich.
Im Rahmen der zu vergebenden Arbeit (der Arbeitsumfang ist anpassbar) sollen ausgehend von
bestehenden Vorarbeiten in unserer Arbeitsgruppe organische Solarzellen mit verschiedenen
Kombinationen von leitfähigen Polymeren und Fullerenderivaten realisiert und untersucht werden.
Dabei stehen sowohl seitens des Polymers als auch des Fullerens verschiedene Materialien zur
Verfügung. Ferner sind in der Arbeitsgruppe mit dem „Standard-Materialsystem“ aus P3HT und
PCBM auch verschiedene Zellaufbauten realisiert worden: neben dem in Abb. 1 skizzierten Aufbau
auch sogenannte invertierte Solarzellen, bei welcher die Lichteinkopplung durch die obere Elektrode
erfolgt und semitransparente Solarzellen mit 2 partiell lichtdurchlässigen Elektroden. In der
Abschlussarbeit soll erforscht werden, wie sich die einzelnen Zellkonzepte auf neue Materialsysteme
übertragen lassen und wie dadurch die elektrischen und optischen Eigenschaften verbessert werden
können. Praktisch gesehen sollen mit Hilfe der in unserer Arbeitsgruppe zur Verfügung stehenden
Präparationsmöglichkeiten selbst organische Solarzellen prozessiert sowie einer umfangreichen
elektrischen und optischen Charakterisierung unterzogen werden.
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: Dezember 2013