aus der Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie

HZB-Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der sie zusammen mit Kollegen aus Schottland zeigen konnten, wie der Stromfluss in der Solarzelle vom Spin der der Elektronen, abhängen kann. "Wir wollen spezielle analytische Methoden für die Solarenergieforschung entwickeln, um den Herstellungsprozess besser verstehen und kontrollieren zu können", sagt Dr. Alexander Schnegg.

Im Herz der organischen Solarzelle: Fußballmoleküle und Polymere

Das Herz einer organischen Solarzelle bildet eine dünne Schicht (100 Nanometer) aus Polymer-Molekülen und fußballförmigen Fulleren-Molekülen. Beide sind miteinander vermischt. Fällt Licht auf diese Mischung, dann werden Elektronen von den Polymer-Molekülen auf die Fußballmoleküle übertragen. Die Polymere weisen daher positiv geladene Fehlstellen oder „Löcher“ auf, Polaronen genannt.
Damit nun Strom fließt, müssen die Elektronen und Löcher zu den Kontakten an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle gelangen. Die Elektronen hüpfen über die Fullerene, die Löcher wandern auf den Polymeren. Die Löcher können sich auf diesem Weg jedoch gegenseitig behindern und senken dadurch den Wirkungsgrad der Solarzelle.

Die Nachweis-Methode

Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass die Polaronen sich immer dann behindern, wenn ihr magnetisches Moment identisch ist. Dafür nutzten sie die Methode der elektrisch detektierten magnetischen Resonanz (EDMR). Bei der EDMR-Methode manipulieren die Forscher mit Hilfe starker Magnetfelder und Mikrowellen den Spin der Polaronen. Durch einen Resonanzeffekt lässt sich der vorher zufällig verteilte Spin wie eine Kompassnadel drehen und gezielt beeinflussen. Die Messdaten zeigten, dass der Strom frei fließt, wenn die winzigen Magnete entgegengesetzt ausgerichtet sind, während eine parallele Ausrichtung den Stromfluss blockiert.
„Wir konnten diese schon länger vermutete sogenannte Bipolaron-Bildung erstmals sichtbar machen und somit beweisen“, sagt Jan Behrends, der während seiner Promotion am HZB-Institut für Silizium-Photovoltaik die Messungen durchgeführt hat.

Ausblick

Dank des neuen experimentellen Aufbaus der ursprünglich für Silizium entwickelten Methode, gelang es den Forschern, solche Stromverluste in Plastiksolarzellen bei Raumtemperatur nachzuweisen. Mit dieser grundlegenden Erkenntnis könnten organische Solarzellen weiter verbessert werden, zum Beispiel durch die Entwicklung neuer Kunststoffe bei denen man gezielt die Spineigenschaften nutzt. 

Franziska Rott/red.