Ludwig-Maximilians-Universität München
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Organische Elektronik

Solarzellen unter der Lupe

München, 27.06.2013

LMU-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Materialdefekte von Solarzellen sichtbar zu machen. 

Grafik: Christian Westermeier
Versuchsanordnung zur Abbildung der Defektdichte in organischen Dünnfilmen. Ein gepulster Laserstrahl rastert über das aktive Material einer Probe in Feldeffekt-Geometrie. Die Änderungen im Stromfluss werden detektiert. Die gelbe Signatur kennzeichnet Orte mit besonders hoher Defektdichte. (Grafik: Christian Westermeier)

LMU-Wissenschaftler um Dr. Bert Nickel haben erstmals das aktive Material von organischen Dünnschicht-Solarzellen unter einer Art Lichtmikroskop mit Hilfe von lokaler Laseranregung untersucht. Darüber berichten sie in der Fachzeitschrift Advanced Materials. „Wir haben eine Technik entwickelt, bei der wir mit einem fokussierten Laserstrahl, den wir unter anderem mit einer rotierenden Blende modulieren, das Material rastern. So können wir die Defektdichte organischer Dünnfilme direkt abbilden, was bisher nicht möglich war“, erklärt Christian Westermeier, Erstautor der Studie.

Solarzellen verwandeln Sonnenenergie in elektrische Energie. Wie lange die durch Licht induzierte Ladung in Solarzellen verbleibt bevor sie an den Elektroden extrahiert wird, hängt von der Beschaffenheit des Materials ab. Defektstellen in der aktiven Schicht können als Fallen für Ladungsträger wirken: Sie ziehen einen Teil des Stroms ab, weil sie die Ladungsträger temporär festhalten. Mit ihrer Messmethode erfassen die Forscher die Änderungen im Stromfluss, die sich durch lokale Anregung der Defektstellen mit Licht ergeben. In der Versuchsanordnung wird ein Rückkontakt als dritte Elektrode verwendet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dieser Elektrode können die Fallen der Ladungsträger über einen Feldeffekt gezielt gefüllt und entleert werden. Die Frequenzmodulation des Lasers ermöglicht außerdem, die zeitliche Dynamik der Fallenzustände zu erfassen.

Ihre Untersuchung zeigt, dass die Defekte im Material ungleichmäßig verteilt sind, so dass es einige Stellen gibt, an denen sie sich häufen. „Es wäre interessant zu wissen, was an diesen Hot Spots mit der Beschichtung passiert. Die Frage ist, was die Defekte auslöst. Es könnte sich um eine chemische Verunreinigung oder um Störungen in der Anordnung der Moleküle handeln“, sagt Bert Nickel, der auch dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) angehört.

Für ihre Untersuchung haben Bert Nickel und seine Kollegen das organische Molekül Pentacen ausgewählt, das bestleitende Material, das es zurzeit für die Herstellung von organischen Halbleiterelementen gibt. Sie untersuchten zunächst eine Dünnschicht bestehend aus einem Halbleitermaterial für Elektronenlöcher. In einem weiteren Schritt wollen sie nun die Defekte einer vollständigen Solarzelle abbilden, die aus einer Loch leitenden und einer Elektronen leitenden Schicht besteht.
(Advanced Materials, 25. Juni 2013)        nh

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