Mit der Entwicklung einer Schutzschicht haben dänische Forscher ein zentrales Problem bei der Herstellung von organischen Tandemsolarzellen gelöst. Die Schicht bewahrt den ersten Layer davor sich aufzulösen, während der zweite Layer aufgedruckt wird.
Forscher der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Roskilde haben ein entscheidendes Problem bei der Herstellung organischer Tandemsolarzellen gelöst. Bisher war es schwierig, solche Zellen herzustellen, weil sich beim Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren die erste Halbleiterschicht oft gelöst hat, wenn die zweite Schicht aufgedruckt wurde. „Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass fertige Schichten durch das Lösungsmittel der folgenden Schicht wieder angelöst werden können, was zum kompletten Ausfall der Solarzelle führt“, erklärt Jens W. Andreasen von der DTU das Problem. Die organische Tandemsolarzelle ist aber ein Weg, die bisher noch niedrigen Wirkungsgrade der Polymerzellen zu steigern. Denn die verschiedenen Schichten absorbieren Licht in unterschiedlichen Wellenlängen, wodurch mehr Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt werden kann.
Um das Problem zu umgehen, haben die dänischen Wissenschaftler eine sorgfältig komponierte Schutzschicht zwischen den beiden Solarzellen ihrer Tandembeschichtung eingeführt. Diese Schutzschicht enthält unter anderem eine nur 40 Nanometer dünne Schicht Zinkoxid. Die Schicht ist zwar nur rund tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Doch sie hat eine entscheidende Wirkung. Denn sie bildet eine Schutzschicht, durch die das Lösungsmittel nicht durchdringen kann, wenn die zweite Halbleiterschicht aufgedruckt wird.
Ein tiefer Blick in die Zelle
Die Forscher haben die Zelle danach kontaktiert und zum Deutschen Elektronen-Synchroton (DESY) nach Hamburg geschickt. Dort hat Juliane Reinhardt die Zelle in ihre Messstation gelegt und mit extrem hellem Röntgenlicht bestrahlt. Die Forscher nennen diese Technik 3D-Ptychographie. Damit rekonstruieren die Forscher Form und chemischen Kontrast einer Probe aus der Art und Weise wie sie das einfallende Röntgenlicht streut. Für eine komplette 3D-Rekonstruktion nehmen sie die Probe von allen Seiten und aus zahlreichen Winkeln auf. Vorteil der Ptychographie: Die Kombination der sich überlappenden Streubilder liefert eine höhere räumliche Auflösung als es mit der konventionellen Röntgenabbildung physikalisch möglich wäre. Und anders als etwa ein hochauflösendes Elektronenmikroskop kann die Röntgen-Ptychographie dabei auch tief in die kleine Solarzelle hineinspähen. „Die Probe war immerhin nur zwei mal viel Mikrometer groß“, berichtet Juliane Reinhardt. Trotzdem konnte sie die feinen Details der filigranen Schichtstruktur beobachten. „Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir die komplette roll-to-roll-beschichtete Tandemsolarzelle abbilden und unter anderem die Unversehrtheit der 40 Nanometer dünnen Zinkoxidschicht in der Schutzschicht zeigen, die erfolgreich die tieferen Lagen vor einer Beschädigung durch Lösungsmittel bewahrt hat“, erklärt Gerald Falkenberg, Leiter der Messstation am DESY, an der Juliane Reinhardt die Zelle untersucht hat. „Dies sind die 3D-Ptychographie-Messungen mit der höchsten räumlichen Auflösung, die uns bisher gelungen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die untere Solarzelle durch eine Zwischenschicht mit der richtigen Zusammensetzung vor der erneuten Lösung geschützt werden kann.“
Organische Tandems von der Rolle
Für die organische Photovoltaik ist das eine gute Nachricht. Denn damit haben die dänischen Forscher in Roskilde eine Möglichkeit entwickelt, Tandemsolarzellen mit Polymeren als Halbleitermaterial im schnellen Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren herzustellen. „Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir zeigen, dass der Aufbau der Substratelektrode die gute Leitfähigkeit der grob strukturierten Silberelektrode mit den guten filmbildenden Eigenschaften eines leitenden Polymers vereint, das in die Silberelektrode eindringt und eine glatte Oberfläche für die folgenden Schichten bildet“, betont Jens W. Andreasen. „Das erlaubt das Auftragen sehr dünner Schichten mit sehr hoher Geschwindigkeit, wobei sich weiterhin zusammenhängende Lagen ohne Löcher bilden.“
Der tiefe Blick in das Innere der Zelle offenbart noch weitere Vorteile. Denn damit können die Forscher Informationen für eine mögliche Optimierung der Solarzelle oder des Produktionsverfahrens liefern. „Im Prinzip stellen wir die Elemente her, ohne die innere Struktur zu kennen“, sagt Andreasen. „Aber mit Kenntnis der inneren Struktur wissen wir, welche Parameter wir modifizieren können und welche Faktoren wichtig sind für die Architektur des Elements, zum Beispiel die genaue Art der Substratelektrode und die Zusammensetzung der Zwischenschicht.“ Die Dänen und die Hamburger konnten so belegen, dass es möglich ist, lückenlose, homogene Schichten im Roll-to-roll-Verfahren aus Lösung herzustellen. Sie haben aber auch gezeigt, dass dies nur mit einer speziellen Zusammensetzung der Schutzschicht zwischen den beiden Solarzellen möglich ist. Die in Roskilde produzierte Zelle ist außerdem die erste organische Tandemsolarzelle deren kombinierter Wirkungsgrad tatsächlich über dem der beiden Einzelzellen liegt. (su)
