Wie organische Halbleiter die Solarenergie revolutionieren

Forscher haben die Solarenergiegewinnung verbessert, indem sie organische Halbleiter entwickelt haben, die eine günstigere und anpassungsfähigere Alternative zu Silizium darstellen. Ein kürzlich erfolgter Durchbruch zeigt, dass diese Materialien durch einen einzigartigen Mechanismus, bei dem Elektronen Energie gewinnen, höhere Wirkungsgrade erreichen können, was den Weg für effektivere Solarzellen und Technologien zur Kraftstoffproduktion ebnet.

Solarenergie spielt eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einer Zukunft mit sauberer Energie. Normalerweise wird Silizium, ein in alltäglichen elektronischen Geräten verwendeter Halbleiter, zur Gewinnung von Solarenergie verwendet. Silizium-Solarmodule haben jedoch Einschränkungen: Sie sind teuer und die Installation auf gekrümmten Oberflächen ist schwierig.

Forscher haben alternative Materialien zur Solarenergiegewinnung entwickelt, um diese Mängel zu beheben. Zu den vielversprechendsten gehören sogenannte „organische“ Halbleiter, kohlenstoffbasierte Halbleiter, die auf der Erde reichlich vorhanden, günstiger und umweltfreundlich sind.

„Sie können möglicherweise die Produktionskosten für Solarmodule senken, da diese Materialien mit lösungsbasierten Methoden auf beliebige Oberflächen aufgetragen werden können – genau wie wir eine Wand streichen“, sagte Wai-Lun Chan, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der University of Kansas. „Diese organischen Materialien können so eingestellt werden, dass sie Licht bei ausgewählten Wellenlängen absorbieren, was zur Herstellung transparenter Solarmodule oder Module mit unterschiedlichen Farben genutzt werden kann. Diese Eigenschaften machen organische Solarmodule besonders geeignet für den Einsatz in grünen und nachhaltigen Gebäuden der nächsten Generation.“

Obwohl organische Halbleiter bereits in den Anzeigefeldern von Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen, Fernsehgeräten und Virtual-Reality-Headsets verwendet werden, sind sie in kommerziellen Solarmodulen noch nicht weit verbreitet. Ein Nachteil organischer Solarzellen ist ihre geringe Umwandlungseffizienz von Licht in Elektrizität, die etwa 12 % beträgt, im Vergleich zu einkristallinen Silizium-Solarzellen, die eine Effizienz von 25 % erreichen.

Laut Chan binden sich Elektronen in organischen Halbleitern normalerweise an ihre positiven Gegenstücke, die als „Löcher“ bezeichnet werden. Auf diese Weise erzeugt von organischen Halbleitern absorbiertes Licht oft elektrisch neutrale Quasiteilchen, die als „Exzitonen“ bezeichnet werden.

Die jüngste Entwicklung einer neuen Klasse organischer Halbleiter, der sogenannten Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs), hat dieses Paradigma jedoch geändert. Organische Solarzellen, die mit NFAs hergestellt werden, können eine Effizienz von fast 20 % erreichen.

Trotz ihrer herausragenden Leistung ist der wissenschaftlichen Gemeinschaft unklar, warum diese neue Klasse von NFAs andere organische Halbleiter deutlich übertrifft.

In einer bahnbrechenden Studie, die in Advanced Materials erscheint, haben Chan und sein Team, darunter die Doktoranden Kushal Rijal (Hauptautor), Neno Fuller und Fatimah Rudayni von der Fakultät für Physik und Astronomie, in Zusammenarbeit mit Cindy Berrie, Professorin für Chemie an der KU, einen mikroskopischen Mechanismus entdeckt, der die herausragende Leistung eines NFA teilweise erklärt.

Hauptautor Kushal Rijal (rechts) und Neno Fuller (links) führten die TR-TPPE-Messung mit dem im Bild gezeigten Ultrahochvakuum-Photoemissionsspektroskopiesystem durch. Bildnachweis: Kushal und Fuller

Der Schlüssel zu dieser Entdeckung waren Messungen, die Hauptautor Rijal mit einer experimentellen Technik namens „zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemissionsspektroskopie“ oder TR-TPPE durchführte. Mit dieser Methode konnte das Team die Energie angeregter Elektronen mit einer Zeitauflösung von unter einer Pikosekunde (weniger als ein Billionstel einer Sekunde) verfolgen.

„Bei diesen Messungen beobachtete Kushal [Rijal], dass einige der optisch angeregten Elektronen im NFA Energie aus der Umgebung gewinnen können, anstatt sie an die Umgebung zu verlieren“, sagte Chan. „Diese Beobachtung ist kontraintuitiv, da angeregte Elektronen normalerweise ihre Energie an die Umgebung verlieren, so wie eine Tasse heißer Kaffee ihre Wärme an die Umgebung abgibt.“

Das Team, dessen Arbeit vom Office of Basic Energy Sciences des Energieministeriums unterstützt wurde, glaubt, dass dieser ungewöhnliche Prozess auf mikroskopischer Ebene dank des Quantenverhaltens von Elektronen stattfindet, das es einem angeregten Elektron ermöglicht, gleichzeitig auf mehreren Molekülen aufzutreten. Diese Quantenmerkwürdigkeit passt zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass jeder physikalische Prozess zu einer Erhöhung der Gesamtentropie (oft als „Unordnung“ bezeichnet) führt, um den ungewöhnlichen Energiegewinnprozess zu erzeugen.

„In den meisten Fällen überträgt ein heißes Objekt Wärme an seine kalte Umgebung, da die Wärmeübertragung zu einer Erhöhung der Gesamtentropie führt“, sagte Rijal. „Wir haben jedoch festgestellt, dass bei organischen Molekülen, die in einer bestimmten Nanostruktur angeordnet sind, die typische Richtung des Wärmeflusses umgekehrt wird, sodass die Gesamtentropie zunimmt. Dieser umgekehrte Wärmefluss ermöglicht es neutralen Exzitonen, Wärme aus der Umgebung zu gewinnen und sich in ein Paar positiver und negativer Ladungen aufzuspalten. Diese freien Ladungen können wiederum elektrischen Strom erzeugen.“