Durch Verstärkung der Stabilität
Photovoltaikzellen aus organischen Verbindungen (OPV) sind leicht und biegsam, weshalb sie als sehr vielversprechend gelten. Ein internationales Forschungsnetzwerk unter Leitung der TU Graz möchte nun Stabilität und Lebensdauer der Materialien erhöhen, schreibt Philipp Jarke am 27.09.2023 in den TU Graz news.
Organische Solarzellen im Labor – Foto © TU Graz, Institut für Chemische Technologie von Materialien
Solarzellen aus Silizium gibt es seit rund 70 Jahren – OPV sind hingegen recht neu, eröffnen für die emissionsfreie Stromproduktion aber neue Möglichkeiten. Sie erreichen Wirkungsgrade bis 19 Prozent, sind gleichzeitig extrem dünn, leicht, und biegsam. Aufgebracht auf transparente Folie können sie in verschiedensten geometrischen Formen und Farben in Bereichen eingesetzt werden, für die siliziumbasierte Solarzellen ungeeignet sind.
Ein Problem ist bislang aber die kurze Lebensdauer: Organische Solarzellen verwittern recht schnell, weshalb sie kommerziell noch kaum eine Rolle spielen. Das soll sich nun ändern: Unter der Leitung der TU Graz vereint das Netzwerk „OPVStability“ internationale Partner aus Wissenschaft und Industrie, die in den kommenden vier Jahren daran forschen, die Lebensdauer organischer Solarzellen zu erhöhen. Die Europäische Kommission fördert das Vorhaben mit rund 2,7 Millionen Euro.
Zehn Forschungsinstitute in sieben Ländern
„Es gibt Tausende Materialkombinationen, mit denen man organische Solarzellen herstellen kann“, sagt Projektleiter Gregor Trimmel vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz. „Wir wollen herausfinden, welche davon am besten geeignet sind: also besonders langlebig und dennoch effizient in der Stromausbeute.“ Zehn Forschungsinstitute in sieben Ländern werden in den kommenden Monaten je eine Doktorandenstelle schaffen, um die Entwicklungsarbeit in Kooperation mit den Industriepartnern InfinityPV, ASCA und Sunnybag voranzutreiben. „Prinzipiell haben organische Photovoltaikzellen das Potenzial, Strom ähnlich günstig zu produzieren wie siliziumbasierte Produkte“, sagt Trimmel.
Analyse der Verwitterung
Die Forschenden wollen die Verwitterungsprozesse verschiedener potenziell geeigneter Materialien im Detail untersuchen. Dazu werden die organischen Verbindungen im Labor künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt, aber auch unter realen Witterungsbedingungen in Europa sowie der Negev-Wüste getestet. Die genaue Analyse der schleichenden Degradation ist eine Herausforderung: „Organische Solarzellen sind maximal 200 Nanometer dick. Um darin Zersetzungsprodukte isolieren zu können, braucht es sehr spezielle Methoden und Instrumente“, erläutert Trimmel.
Weiters werden auf künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen gestützte Ansätze genutzt, um die großen Datenmengen zu analysieren, die in Hochdurchsatzverfahren generiert werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen es erlauben, detaillierte Rückschlüsse auf die chemischen Verwitterungsprozesse zu ziehen. Mit diesem Wissen werden die Forschenden genauer bestimmen können, wie die Moleküle beschaffen sein müssen, um diesen Zersetzungsprozessen besser standzuhalten. Neben den praktischen Tests werden auch digitale Simulationen chemischer Verbindungen durchgeführt, um optimal geeignete Materialen für die organischen Photovoltaikzellen der nächsten Generation zu finden.
Analyse der schleichenden Degradation
Zunächst gelte es, die Verwitterungsprozesse verschiedener potenziell geeigneter Materialien im Detail zu untersuchen, berichten die Forschenden. Dazu werden die organischen Verbindungen zum einen im Labor künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt, zum anderen aber auch unter realen Witterungsbedingungen in Europa sowie der Negev-Wüste getestet.
Die genaue Analyse der schleichenden Degradation sei eine Herausforderung: „Organische Solarzellen sind maximal 200 Nanometer dick. Um darin Zersetzungsprodukte isolieren zu können, braucht es sehr spezielle Methoden und Instrumente“, erläutert Trimmel. Zudem werden auf künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen gestützte Ansätze genutzt, um die großen Datenmengen zu analysieren, die in Hochdurchsatzverfahren generiert werden.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen es erlauben, detaillierte Rückschlüsse auf die chemischen Verwitterungsprozesse zu ziehen. Mit diesem Wissen werden die Forschenden genauer bestimmen können, wie die Moleküle beschaffen sein müssen, um diesen Zersetzungsprozessen besser standzuhalten. Neben den praktischen Tests werden auch digitale Simulationen chemischer Verbindungen durchgeführt, um optimal geeignete Materialen für die organischen Photovoltaikzellen der nächsten Generation zu finden. Die Forschung ist im Field of Expertise Advanced Materials Science verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten der TU Graz.
Die Partner im Netzwerk OPVStability
Zum OPVStability-Netzwerk gehören neben der TU Graz die Johannes Kepler Universität Linz, der Consejo Superior de Investigaciones Científicas, die Ben-Gurion-Universität des Negev, die Universität Potsdam, die Universität Karlstad, das Central European Research Infrastructure Consortium, die Universität Bayreuth, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Süddänische Universität sowie die assoziierten Partner InfinityPV, die ASCA GmbH, die Autonome Universität Barcelona, die Sunnybag GmbH, das Zentrum für Elektronenmikroskopie und der Forschungsverbund Berlin e.V.
->Quellen: