3D-Solar: Konzepte für den effektiven Lichteinfang in Dünnschicht Solarzellen

Ausgangspunkt für das Projekt 3D Solar war der Spezialfall von organischen Dünnschichtsolarzellen, wobei das Konzept aber auch auf anorganische Dünnschichtsolarzellen anwendbar ist. Der Einsatz organischer Halbleiter stellt einen interessanten Ansatz in der Photovoltaik dar, der im Vergleich mit schon etablierten Solarzellentechnologien vielversprechende Möglichkeiten bietet. Es handelt sich dabei um eine vergleichsweise junge Technologie, welche noch in der Phase der Grundlagenforschung und Entwicklung steckt. Aber gerade in den letzten Jahren hat es große Fortschritte auf diesem Gebiet gegeben, sodass, nach heutigem Stand, organische Solarzellen für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie einen Wirkungsgrad von ca. 12 % (http://www.heliatek.com) erreichen. Mit weiteren signifikanten Fortschritten ist zu rechnen, wobei für eine weitere Optimierung in Hinblick auf Wirkungsgrad und Lebensdauer dringend neue Konzepte benötigt werden.
Üblicherweise werden organische Solarzellen in Sandwichstruktur gefertigt. Eine oder mehrere organische Dünnfilme werden dabei von zwei elektrisch leitfähigen Elektroden kontaktiert. Die eine Elektrode ist transparent, um den Lichteinfall auf die organischen Halbleiter zu gewährleisten, die andere Elektrode ist hochreflektierend. Die Photophysik organischer Halbleitermaterialien unterscheidet sich jedoch deutlich von der Photophysik anorganischer Halbleiter. Eine Schwierigkeit ist, dass die Absorption von Licht in den typisch zum Einsatz kommenden organischen Solarzellen nicht unmittelbar zur Bildung freier Ladungsträgerpaare (wie zum Beispiel in Silizium), sondern zu neutralen Anregungszuständen, sogenannten Exzitonen führt. Diese gebundenen Elektron-Loch-Paare im organischen Halbleiter müssen daher zuerst in separate Ladungen getrennt werden, bevor sie durch die organischen Schichten transportiert und von den Elektroden gesammelt werden können. Ladungstrennung findet dabei typischerweise an Grenzflächen zwischen zwei organischen Dünnfilmen in der Solarzelle statt. Exzitonen können in den organischen Dünnfilmen wandern bzw. diffundieren, wobei typische Diffusionslängen in der Größenordnung von 10 nm liegen. Damit ist auch das Gebiet einer organischen Solarzelle, in dem Ladung generiert wird, auf typischerweise 10 nm beschränkt.
Grundsätzlich kann die Funktionsweise einer üblichen organischen Solarzelle somit in drei nacheinander ablaufende Prozesse gegliedert werden:

1. Generation von Exzitonen durch Absorption von Licht

2. Generation von freien Ladungsträgern durch Trennung der Exzitonen in Elektronen und Löcher

3. Transport der Ladungen durch die Schichten der Solarzelle zu den jeweils passenden Elektroden

Alle drei Prozesse finden innerhalb eines sehr kleinen Raumgebietes, in den organischen Dünnfilmen der Solarzelle statt und werden dabei wesentlich von den Materialeigenschaften der organischen Halbleiter sowie der Morphologie und den Dicken der jeweiligen Schichten bestimmt. Naturgemäß beeinflussen sich diese drei Prozesse wechselseitig:

• Optimale Lichtabsorption benötigt Schichtdicken der organischen Dünnfilme von über 100 nm
• Optimale Ladungsträgergeneration benötigt Schichtdicken der organischen Dünnfilme von um die 10 nm

Diese Rahmenbedingungen führen zu einem Kompromiss zwischen Lichtabsorption auf der einen und effizienter Ladungsgenerierung auf der anderen Seite. Entweder ein signifikanter Teil des Lichts verlässt die Zelle wieder, ohne dass es zur Energiegewinnung genutzt wurde (Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schichten liegt im Bereich der Exzitonen-Diffusionslänge von ~10 nm), oder es wird in den Zellen absorbiert, trägt aber nicht zur Stromerzeugung bei (Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schichten liegt im Bereich der Dicke für optimale Lichtabsorption von > 100 nm).
Diese unzureichende Situation motiviert grundlegende Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Effizienz durch Entwicklung von Lösungsansätzen für effiziente Lichtabsorption bei gleichzeitiger effizienter Ladungsgenerierung. Ziel des Projektes 3D-Solar war die Entwicklung einer neuen dreidimensionalen Solarzellenarchitektur, die eine deutliche Verbesserung bei der Umwandlung und Nutzung von Sonnenenergie ermöglichen soll.
Die derzeit am intensivsten untersuchten organischen Solarzellen sind typischerweise planar aufgebaut. Im Rahmen von 3D Solar wurde eine dreidimensionale (also nicht planare) neuartige Solarzellenarchitektur basierend auf periodischen Mikrostrukturen zum optimalen Lichteinfang entwickelt. Die Mikrostrukturen haben die Aufgabe, den optischen Weg des einfallenden Lichts in der Zelle zu verlängern, bzw. das Licht wie in einer „Lichtfalle“ zu sammeln und zu speichern, bis es zur Konversion der Photonen in Ladungsträger kommt. Einmal in die Solarzellenstruktur eingedrungenes Licht wird durch Reflexion an inneren Grenzflächen daran gehindert diese zu verlassen bevor es in Strom verwandelt wird. Ziel ist es, dadurch den Wirkungsgrad zu steigern. Zusätzlich soll dieser neuartige Solarzellentyp mit kostengünstigen Materialien und effizienten Verfahren (z.B. Rolle zu Rolle Verfahren) hergestellt werden können.