SolarTrap: Manipulation und Modifikation von Sonnenlicht in organischen Solarzellen

In den letzten Jahrzehnten haben organische Halbleiter großes Interesse in der akademischen wie auch der industriellen Forschung hervorgerufen. Besonders die einfache und kostengünstige Herstellung von leistungsfähigen Solarzellen, Leuchtdioden und Photodetektoren erscheint mit organischen Halbleitern möglich. Zusätzlich zeichnen sich organische Halbleiter durch ihre optischen und elektrischen Eigenschaften und der einfachen Einstellung der optischen Bandlücke durch die Veränderung der chemischen Struktur aus. Organische Halbleiter lassen sich großflächig applizieren und dünne Filme sind mechanisch sehr flexibel. Derzeit steht bei der Entwicklung von organischen Leuchtdioden (OLED) und Solarzellen (OSZ) die Verbesserung des Wirkungsgrads, die Verlängerung der Lebenszeit der Bauteile und eine Reduktion der Material- und Produktionskosten im Mittelpunkt der Bemühungen. Für eine großflächige Kommerzialisierung sind Fortschritte in allen diesen Bereichen notwendig. Die Effizienz von OSZ und OLEDs wird unter anderem durch die sogenannte interne Quanteneffizienz und durch optische Verluste bestimmt.

Um diese Situation zu verbessern wurden verschiedene Nanostrukturen vorgeschlagen, die zu einer besseren Ein- oder Auskopplung des Lichts in die OSZ bzw. OLED führen. Trotz der Fortschritte im Bereich Lichtmanagement mit Nanostrukturen ist die Lichtmanipulation in organischen Filmen mit Hilfe von plasmonischen Strukturen oder Metamaterialien eine große Herausforderung und nicht komplett verstanden.

Im Projekt SolarTrap sollten neuartige Strukturen untersucht werden, die eine erhöhte Absorption von Photonen in der photoaktiven Schicht der OSZ ermöglichen. Dafür wurden mit Siliziumoxid beschichtete, sternförmige Goldnanopartikel, Strukturen die zu einer oberflächenverstärkten Lumineszenz führen und sogenannte Metastrukturen untersucht. Der Fokus des Projekts besteht in der Korrelation der verschiedenen Lichtmanagement-Methoden für verschiedene Solarzellenaufbauten mit der Effizienz der Lichteinkopplung und der Energieumwandlung. Durch die detaillierten Untersuchungen kann auch auf die limitierenden Faktoren der einzelnen Konzepte geschlossen werden. Da sich eine Leuchtdiode wie eine inverse Solarzelle verhält, gelten die erzielten Ergebnisse auch für OLEDs. Im Projektkonsortium sind alle Kompetenzen vorhanden, um die oben genannten Herausforderungen einer nanostrukturierten Lichteinkoppelschicht für OSZ zu meistern. PROFACTOR und die Johannes Kepler Universität (Institut für Angewandte Physik (IAP), Linz Institut für organische Solarzellen (LIOS)) verfügen über die folgenden Schüsseltechnologien zur Durchführung des Projekts: Herstellung kostengünstiger, großflächiger Nanostrukturen, Synthese von Nanopartikeln, Herstellung von OSZs. Zusätzlich verfügt das IAP über jahrelange Erfahrung mit plasmonischen Nanostrukturen und Metamaterialien. Die kombinierten theoretischen und experimentellen Studien werden nicht nur zu neuen Konzepten für das Lichtmanagement, sondern auch zu einer besseren Modellierung der optischen und elektrischen Eigenschaften organischer Solarzellen und zu neuartigen Photodetektoren und OLEDs führen. Das SolarTrap-Projekt wird positive Auswirkungen auf interdisziplinäre, nationale und internationale Forschungs- und Wirtschaftsaktivitäten haben und zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit Österreichs beitragen.