Solare Stromerzeugung 11.12.2013, 10:24 Uhr

Verschleiß wird im Simulator sichtbar

Polymer-Solarzellen verlieren schon nach kurzer Nutzungsdauer an Effizienz. Wissenschaftler aus München und Hamburg haben jetzt den Grund herausgefunden. Jetzt lassen sich Gegenmaßnahmen planen.

Schematische Darstellung der Struktur der aktiven Schicht der Polymer-Solarzelle. Die orangen Bereiche repräsentieren die aktiven Domänen, an denen Licht in Ladungsträger umgewandelt wird. 

Schematische Darstellung der Struktur der aktiven Schicht der Polymer-Solarzelle. Die orangen Bereiche repräsentieren die aktiven Domänen, an denen Licht in Ladungsträger umgewandelt wird. 

Foto: TU München

Solarzellen aus Kunststoff sind flexibel, billig herzustellen und erreichen mit zehn Prozent bereits passable Wirkungsgrade. Sie haben nur einen Nachteil: Oft schon nach wenigen Wochen produzieren sie deutlich weniger Strom als am Anfang. Und auch ihre Lebensdauer ist unbefriedigend.

Jetzt haben Forscher herausgefunden, was sich in einer Polymer-Solarzelle bei Sonneneinstrahlung verändert. Damit haben sie die Voraussetzung dafür geschaffen, das Material so zu modifizieren, dass die Lebensdauer dieses Zellentyps verlängert wird und ihr Wirkungsgrad konstant bleibt. Die Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) testeten Polymer-Solarzellen in einem Sonnensimulator, der an einem Experimentierplatz der Röntgenlichtquelle Petra III am Deutschen Elektronensynchrotron Desy in Hamburg betrieben wird.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Die Solarzelle (Mitte) wird mit einem Solarsimulator (unten) beleuchtet, gleichzeitig werden die elektrischen Eigenschaften im Verlauf der Untersuchung aufgezeichnet. Der Röntgenstrahl (rot) erzeugt im Detektor (rechts) ein charakteristisches Streubild, aus dem sich die Struktur der aktiven Schicht bestimmen lässt.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Die Solarzelle (Mitte) wird mit einem Solarsimulator (unten) beleuchtet, gleichzeitig werden die elektrischen Eigenschaften im Verlauf der Untersuchung aufgezeichnet. Der Röntgenstrahl (rot) erzeugt im Detektor (rechts) ein charakteristisches Streubild, aus dem sich die Struktur der aktiven Schicht bestimmen lässt.

Foto: TU München

Während der Bestrahlung tasteten sie die Zelle regelmäßig mit einem feinen Röntgenstrahl ab. Dabei trat die Ursache für den Wirkungsgradverlust und den vorzeitigen Verschleiß klar zu Tage. Der Strom entsteht an so genannten aktiven Domänen. Sie absorbieren Sonnenlicht und setzen im Gegenzug Elektronen frei. Diese Domänen haben bei neuen Zellen einen Durchmesser von 70 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Nach einer Bestrahlungszeit von einigen Stunden waren sie auf 80 Nanometer gewachsen. Gleichzeitig hatten sie sich voneinander entfernt. Zu Beginn betrug der Abstand 310 Nanometer, nach dem Versuch 370 Nanometer.

Die untersuchte Solarzelle hat eine Kantenlänge von zehn Millimetern.

Die untersuchte Solarzelle hat eine Kantenlänge von zehn Millimetern.

Foto: TU München

Professor Peter Müller-Buschbaum, Inhaber des Lehrstuhls für funktionelle Materialien an der TUM, und sein Doktorand Christoph Schaffer glauben, dass sie mit ihrer Beobachtung den Grund für die negative Entwicklung der Zellen gefunden haben. Das Wachsen der Domänen wirke sich zwar positiv aus. Durch die Vergrößerung des Abstands verringere sich jedoch die elektrisch wirksame Fläche, sodass der Wirkungsgrad unter dem Strich sinkt.

Domänen künstlich klein halten

Desy-Forscher Stephan Roth, der an den Versuchen beteiligt war, schlägt jetzt vor, das Wachstum der Domänen und ihre Fluchtversuche durch Zugabe von hemmenden Substanzen zu verändern. Man könne die Domänen bei der Produktion auch künstlich klein halten, sodass sie erst nach einigen Tagen oder Wochen ihre optimale Größe erreichen. Die innere Struktur des Zellenmaterials könne so gestaltet werden, „dass sich die aktiven Bereiche während der ersten Betriebsstunden in eine optimale Struktur entwickeln, statt aus ihr herauszuwachsen“, sagt Müller-Buschbaum. „Solche Maßnahmen können bewirken, dass industriell produzierte Zellen auch bei längerem Betrieb über der für Polymer-Solarzellen wirtschaftlich entscheidenden Effizienzschwelle liegen“, betont Roth.

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