Ansprechpartner: Prof. Dr. Jürgen Parisi

Die Notwendigkeit kostengünstig herstellbarer Photovoltaiksysteme erfordert die Orientierung der Forschungsaktivitäten in Richtung neuartiger Materialien. Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Verwendung halbleitender Kunststoffe, sogenannter konjugierter Polymere, als primäres Absorbermaterial für Solarzellen. Halbleitende Polymere sind mechanisch flexibel und können mit Hilfe von Aufschleuder- oder Siebdrucktechniken aus der Flüssigphase großflächig auf ein formbares Substrat aufgebracht werden. Somit erfordert die Herstellung photovoltaischer Polymerabsorbern weder Hochtemperatur- noch Vakuumprozesse, so dass die Produktionskosten im Prinzip klein gehalten werden können. Trotz der hohen Photosensitivität vieler konjugierter Polymere ist die Ausbeute an freien Ladungsträgern nach der Photoanregung des Materials sehr gering. Eine effiziente Ladungstrennung lässt sich jedoch erzielen, indem man die Polymerphase mit akzeptorartigen Materialien (z.B. Fullerene oder anorganische Nanoteilchen) mischt. In solchen Kompositgemischen führt der photoinduzierte Ladungstransfer zu einer effizienten Separation der Ladungsträger. Da dieser photophysikalische Mechanismus in Polymer-Fulleren Gemischen innerhalb extrem kurzer Zeitskalen (<1ps) erfolgt, liegt die Quanteneffizienz der Ladungstrennung nahe bei 100%.

Da die Diffusionslängen der primären Anregungszustände in konjugierten Polymeren recht gering sind, muß die Dissoziation der gebundenen Elektron-Loch Paare quasi am Ort der Anregung erfolgen. Ein vielversprechendes Konzept besteht in der Verwendung von Kompositabsorbern in denen die Akzeptormoleküle in eine ungeordnete Matrix aus Polymerketten eingebettet sind. Da sich die Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten über das gesamte Absorbervolumen verteilt spricht man von einer bulk-heterojunction. Nach der Ladungstrennung befinden sich die Elektronen und die Löcher in unterschiedlichen molekularen Systemen, welche gleichzeitig für die jeweilige Ladungsträgersorte das Transportmedium darstellen. Durch die Verwendung von Elektrodenmaterialien mit asymmetrischen Austrittsarbeiten lassen sich die unterschiedlichen Ladungsträger an den gegenüberliegenden Seiten der photoaktiven Schicht selektiv einsammeln. Der schematische Aufbau einer Bulk-Heterojunction Solarzelle ist in Abbildung 1 dargestellt: Die einige 100nm dicke Absorberschicht (orange) ist in einer Sandwichgeometrie zwischen zwei Elektroden eingefasst: Als Fensterelektrode wird Indium-Zinnoxid (ITO) verwendet, auf das eine zusätzliche, semitransparente Schicht des leitfähigen Polymers PEDOT:PSS durch Spin-Coating aufgetragen wird. Der Kathodenrückkontakt besteht typischerweise aus einem thermisch aufgedampften Metall mit geringer Austrittsarbeit. Für dieses Solarzellenkonzept wurden bisher Wirkungsgrade von 2.5% unter Weißlichtbeleuchtung bestätigt. Deutliche Steigerungen der Effizienz könnten durch die Verwendung stärker und insbesondere breitbandig absorbierender Absorbermaterialien mit verbesserter Leitfähigkeit realisiert werden.

• Photophysikalische Materialcharakterisierung
• Elektrische Materialcharakterisierung
  • Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit in Feldeffekttransistor-Strukturen
• Herstellung von Laborsolarzellen
• Elektrische und Elektro-optische Charakterisierung von Solarzellen
  • Strom-Spannungs Kennlinien mit Variation der Temperatur und Beleuchtungsstärke
  • Externe Quantenausbeute
  • Defektspektroskopische Methoden (Admittanzspektroskopie, DLTS)