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Umweltverträgliche Herstellung organischer Solarzellen

Organische Bulk-Heterojunction Solarzellen sind an der Schwelle zur Kommerzialisierung angekommen. Dabei kommt Druck- und Beschichtungstechniken oftmals eine Schlüsselrolle zu, um eine kostengünstige Solarmodulherstellung mit guter CO2-Bilanz zu realisieren. Um nun im nächsten Schritt die im Labor etablierten Prozesse auf eine umweltfreundliche und nachhaltige industrielle Herstellung von organischen Solarzellen zu übertragen, sind jedoch halogenfreie Lösemittel und Prozess-Additive eine notwendige Voraussetzung. Da aber der Wahl des Lösemittels eine Schlüsselrolle in der Ausbildung der komplexen Nanostrukturen zukommt, die den Wirkungsgrad der Solarzelle maßgeblich beeinflussen, arbeitet sowohl die akademische Welt als auch die Industrie mit Hochdruck an einer Verwendung „grüner“ Prozesse, um die Marktreife organischer Solarmodule weiter voranzutreiben.

Um die im Labor etablierten Abscheidungsprozesse hinsichtlich einer umweltfreundlichen Herstellung anzupassen, wurden die Herstellung mehrerer Polymer:Fulleren Bulk-Heterojunction Solarzellen aus halogenfreien Lösemitteln wie o-Xylol und Anisol in Kombination mit dem umweltfreundlichen Additiv p-Anisaldehyd untersucht. Die so hergestellten Solarzellen erzielten Laborwirkungsgrade von über 10%, und übertreffen damit die Wirkungsgrade von organischen Solarzellen, die bei Verwendung des weit verbreiteten halogenhaltigen Lösemittelgemischs Chlorbenzol/1,8-Diiodoktan erreicht werden. Das Additiv p-Anisaldehyd verbessert dabei die Filmbildung, die Anordnung der Polymerketten, verringert die Agglomeration des Fullerens und zeigt eine im Vergleich zu Diiodoktan deutlich höhere Flüchtigkeit. Dadurch wird nicht nur der Ladungstransport, und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle, verbessert, sondern auch die Trocknungszeit deutlich verringert, was entscheidend für eine zukünftige, großflächige Solarzellen-Herstellung mittels Rolle-zu-Rolle Beschichtungsverfahren ist.
Letztendlich sollte eine Herstellung von organischen Solarzellen aus umweltfreundlichen, unbedenklichen Lösemitteln wie Wasser oder Alkohol angestrebt werden. Da jedoch organische Halbleiter typischerweise nicht in diesen polaren Lösungsmitteln gelöst werden können, müssen sie in diesen Medien in Form von Nanopartikeln dispergiert werden. Mit dieser Methode hergestellte Formulierungen ermöglichten die Herstellung von P3HT:ICBA Solarzellen mit Wirkungsgraden von 4-5%. Dieser Wirkungsgrad entspricht nahezu dem Wirkungsgrad, der durch Verwendung von Chlorbenzol als Lösemittel erzielt werden kann. Durch thermische Nachbehandlung der aktiven Schicht nach der Abscheidung wurde ein verbesserter elektrischer Kontakt der einzelnen Nanopartikel, und damit ein besserer Ladungstransport, erzielt. Die Abscheidung der photoaktiven Schichten aus Alkohol eröffnet damit den Weg zu einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Herstellung von organischen Solarzellen. Die Verwendung von nicht-toxischen Herstellungsprozessen vermeidet gleichzeitig kostspielige Sicherheitsmaßnahmen. Das Prinzip der Schichtabscheidung aus Nanopartikel-Dispersionen kann darüber hinaus auch zur Herstellung anderer organischer Halbeliterbauelemente genutzt werden.

Zum Weiterlesen:

  • S. Sankaran et al., Eco-friendly fabrication of polymer-fullerene bulk-heterojunctions from organic nanoparticle dispersions by doctor blading and ink-jet printing, Org. Electronics, 2016, 28, 118-122, DOI: 10.1016/j.orgel.2015.10.011.
  • C. Sprau et al., Highly Efficient Polymer Solar Cells Cast from Xylene:Anisaldehyde Solution, Energy & Environ. Sci., 2015, 8, 2744-2752, DOI: 10.1039/C5EE01917F.
  • S. Gärtner et al., Eco-friendly fabrication of 4% efficient organic solar cells from surfactant-free P3HT:ICBA nanoparticle dispersions, Adv. Mater., 2014, 26, 6653–6657, DOI: 10.1002/adma.201402360.