Forscher machen Materialdefekte sichtbar

Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität in München haben genau die Defektstruktur im photovoltaisch aktiven Material organischer Solarzellen untersucht. „Wir haben eine Technik entwickelt, bei der wir mit einem fokussierten Laserstrahl, den wir unter anderem mit einer rotierenden Blende modulieren, das Material rastern“, erklärt Christian Westermeier, Erstautor der jetzt dazu veröffentlichten Studie. „So können wir die Defektdichte organischer Dünnfilme direkt abbilden, was bisher nicht möglich war.“ Der Laserstrahl dient dabei als Lichtquelle, um die Solarzelle zu aktivieren. Durch ein Lichtmikroskop haben die Forscher dabei beobachtet, wie sich die Elektronen an den Defektstellen verhalten.

Halbleiterschicht aus Elektronenlöchern

Solarzellen verwandeln Sonnenenergie in elektrische Energie. Wie lange die durch Licht freigesetzte Ladung in den Zellen bleibt bevor sie ihren Weg zu den Elektroden gefunden haben, hängt von der Beschaffenheit des Materials ab. Defektstellen in der aktiven Schicht können als Fallen für Ladungsträger wirken: Sie ziehen einen Teil des Stroms ab, weil sie die Ladungsträger festhalten. Um die Defektstellen besser zu sehen, haben die Wissenschaftler zunächst eine Halbleiterschicht untersucht, die nur aus Elektronenlöchern besteht. Als Material kam Pentacen zu Einsatz, das derzeit am besten leitenden Halbleitermaterial zur Herstellung von organischen Solarzellen, wie die Forscher betonen. Diese Halbleiterschicht haben sie mit dem Laser angeregt und die Änderungen im Stromfluss aufgezeichnet, die sich durch lokale Anregung der Defektstellen mit Licht ergeben. Dabei haben die Münchener Forscher einen Rückkontakt als dritte Elektrode verwendet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dieser Elektrode können die Fallen der Ladungsträger über einen Feldeffekt gezielt gefüllt und entleert werden. Die Frequenzmodulation des Lasers ermöglicht außerdem zu erfassen, in welcher Zeit die Elektronen von den Defektstellen abgefangen und wie lange sie festgehalten werden.

Defekte ungleichmäßig verteilt

Das Ergebnis der Untersuchung ist, dass die Defekte im Material ungleichmäßig verteilt sind, so dass es einige Stellen gibt, an denen sie sich häufen. „Es wäre interessant zu wissen, was an diesen Hot Spots mit der Beschichtung passiert“, sagt Bert Nickel, der das Forschungsprojekte leitet. „Die Frage ist, was die Defekte auslöst. Es könnte sich um eine chemische Verunreinigung oder um Störungen in der Anordnung der Moleküle handeln.“  In einem weiteren Schritt wollen die Wissenschaftler nun die Defekte einer vollständigen Solarzelle abbilden, die aus einer Loch leitenden und einer Elektronen leitenden Schicht besteht. (Sven Ullrich)