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Organische Tandemsolarzellen

Tandem-Architekturen sind ein vielversprechendes Konzept, um konkurrenzfähige Wirkungsgrade in organischen Solarzellen zu erreichen. Im Wesentlichen werden zwei Architekturen unterschieden: Einerseits beinhalten Hetero-Tandemsolarzellen zwei seriell verschaltete und spektral komplementäre Absorber, um das Sonnenspektrum besser abzudecken und somit die Thermalisierungsverluste in den Solarzellen zu reduzieren. Auf der anderen Seite werden in Homo-Tandemsolarzellen aus zwei identischen Absorbern aufgebaut. Diese Architektur ermöglicht es, die schwache Absorption oder geringe Ladungsträgermobilitäten einiger organischer Halbleiter zu kompensieren. Beide Architekturen können Eingang in großflächige Solarzellen finden, da sich die geringeren Photostromdichten in Tandemsolarzellen positiv auf durch Serienwiderstände bedingte elektrische Verluste auswirken, wie sie in Solarmodulen vorherrschen.

In organischen Tandemsolarzellen lassen sich auch Wirkungsgrad-Steigerungen erzielen, wenn derselbe Absorber zweimal eingesetzt wird. Der Zugewinn ergibt sich u.a. aus einer verringerten Rückreflexion des einfallenden Lichts und einer Verringerung der elektrischen Verluste in den Zuleitungen, da hier, trotz erhöhter Leistung, die Ströme kleiner sind.
Eine detaillierte Studie der der Tandemsolarzellen zu Grunde liegenden Mechanismen und der externen Quanteneffizienz der Subzellen gelang  durch die Einführung eines zusätzlichen, nur 40nm dicken transparenten Mittenkontakts (3-Terminal-Architektur). Diese aus einem hochleitfähigen Polymer bestehende mittlere Elektrode verändert die optoelektronischen Eigenschaften der Tandemsolarzelle nicht, ermöglich jedoch die Vermessung der beiden Subzellen. Die so gewonnenen Erkenntnisse lassen sich direkt auf die gängigen 2-Terminal Tandemarchitekturen übertragen.

Zum Weiterlesen:

  • D. Bahro et al., Understanding the External Quantum Efficiency of Organic Homo-Tandem Solar Cells Utilizing a Three-Terminal Device Architecture, Adv. Energy Mater., 2015, 5, 1501019, DOI: 10.1002/aenm.201501019.
  • K. Glaser et al., Organic Tandem Solar Cells, Book chapter in C. Brabec, V. Dyakonov, U. Scherf (Editors) Organic Photovoltaics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2nd Edition 2014, ISBN: 978-3-527-33225-0.
  • A. Puetz et al., Solution processable, precursor based zinc oxide buffer layers for 4.5% efficient organic tandem solar cells, Org. Electron., 2012, 13, 2696-2701, DOI: 10.1016/j.orgel.2012.07.043.
  • A. Puetz et al., Organic solar cells incorporating buffer layers from indium doped zinc oxide nanoparticles, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2011, 95, 579, DOI: 10.1016/j.solmat.2010.09.020.
  • A. Colsmann et al., Organic tandem solar cells comprising polymer and small-molecule subcells, Appl. Phys. Lett., 2006, 89, 203506, DOI: 10.1063/1.2388938.