Hochskalierung und Defektcharakterisierung von organischen Tandem-Solarzellen

Obwohl die Forschung im Bereich der organischen Photovoltaik mittlerweile seit mehr als zwei Jahrzehnten forciert wird, beschränken sich die aktiven Flächen der hocheffizienten organischen Solarzellen üblicherweise auf weniger als 1 cm².

Ziel dieser Arbeit ist es, den hocheffizienten Solarzellen den Weg zu größeren Flächen zu ebnen und somit die nutzbare elektrische Leistung der Solarzellen zu erhöhen. Um den hohen Wirkungsgrad der Bauteile zu gewährleisten, wurden hierfür Tandem-Architekturen ausgewählt. Hierbei werden zwei Solarzellen direkt übereinander appliziert, um die Absorption des Bauteils zu erhöhen. Durch die größere Anzahl an Schichten und Schichtübergängen im Bauteil verkompliziert sich das optische Feld im Vergleich zu einer Einzel-Solarzelle, die Leistung der Solarzelle ist stark abhängig von den Dicken der einzelnen Schichten. Deren Optimierungsprozess genießt eine entsprechend hohe Priorität.

In einem ersten Schritt wurde daher ein schneller, experimenteller Ansatz entwickelt, um zwei Schichten innerhalb einer Tandem-Solarzelle simultan bezüglich ihrer Dicke zu optimieren. Die optimierten Schichtdicken wurden dazu genutzt, mit einem industrienahen Prozess (der Rakelbeschichtung) Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 8,1% auf einer Fläche von 0,1 cm² zu erreichen.
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Im zweiten Schritt wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem das Layout eines Solarmoduls derart optimiert werden kann, dass der resultierende Wirkungsgrad des Moduls als Kompromiss aus elektrischen Verlusten durch die Substratvergrößerung und geometrischen Verlusten durch die notwendige Strukturierung möglichst nahe an die Leistung der ursprünglichen Solarzelle herankommt. Es handelt sich hierbei ebenfalls um einen experimentellen Ansatz, der mit einem möglichst geringen Aufwand an Maschinen, Material und Zeit auskommt. Basierend auf diesen Versuchen konnten schließlich Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von bis zu 5,9% bezogen auf ihre aktive Fläche von 84 cm² (4,4% bezogen auf die Modulfläche von 112 cm²) realisiert werden.

Um die ortsaufgelöste Untersuchung der Solarzellen zu ermöglichen, wurde ein Messplatz für "light beam induced current"-Messungen (LBIC) aufgebaut. Bei Vermessungen verschiedener Einzel-Solarzellen mit diesem Messplatz zeigte sich, dass durch die vergleichende Charakterisierung eines Bauteils mit unterschiedlichen Wellenlängen des anregenden Lichts eine Aussage über die absolute Schichtdicke der Absorberschicht getroffen werden kann.

Abschließend wurde mit ersten Versuchen an Tandem-Solarzellen auf Basis von nanopartikulären Absorberschichten gezeigt, dass bei der Herstellung von Tandem-Solarzellen auf den Einsatz von halogenierten Lösemitteln verzichtet werden kann.