Solarzellen können in der Zukunft live betrachtet werden

Clevere Hausbesitzer holen sich Sonnenenergie mittels Solarkollektoren ins Haus. Sie wollen damit die Kosten für Energie und Wärme ihres Hauses günstig decken ohne die Atemluft mit CO2-Emissionen zu belasten. Zusätzlich versprechen sie sich von der Nutzung der Solarenergie ein Stück Unabhängigkeit von der ungünstigen Preisentwicklung der fossiler Energieträger.
Organische Solarzellen, besonders solche die auf der Basis von Polymeren basieren, sind kostengünstiger als solche aus Silizium. Sie können auf große Fläche installiert werden und passen sich, wegen ihrer Biegsamkeit, auch problematischen Flächen, wie zum Beispiel Skihelmen, an. Diese Solarzellen haben, im Vergleich mit anderen gleichwertigen, eine höhere Wirkungskraft. Diese Solarzellensind für die Energieversorgung aus Erneuerbarer Energie (EE) besonders wertvoll.

Ein Wermutstropfen ist, dass organische Solarzellen eine kürzere Lebensdauer haben als herkömmliche aus Siliziumzellen und ihre hohe Effizienz lässt schnell nach. Produkte dieser Art müssen  von den Verbrauchern im Blick behalten werden, weil auf ihre Verschleißerscheinungen sofort reagiert werden muss. Forschern der Technischen Universität München gelang erstmals eine Livebeobachtung von organischen Solarzellen mittels DESY´s, der Röntgenlichtquelle PETRA III. Das Projekt wird im Fachmagazin “Advanced Materials” vom Team um Professor Peter Müller-Buschbaum, vorgestellt.

Wie werden Strukturveränderungen in „Plastiksolarzellen“ erkannt?

Der Verschleiß organischer Solarzellen wurde erstmals 2013  live im siebenstündigen Betrieb an der Messstation P03 bei DESYs Röntgenquelle PETRA III von Wissenschaftlern betrachtet. Sie beleuchten eine Polymer-Solarzelle mit einem Solarsimulator. Diese künstliche Sonne ist in der Lage, Licht mit dem Spektrum und der Intensität der Sonneneinstrahlung zu erzeugen. Gleichzeitig werden die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle und ihre möglichen Veränderungen aufgezeichnet. Der zeitliche Abstand in dem der scharf fokussierte Röntgenstrahl von PETRA III die organischen Zellen auf Fehlfunktionen untersucht, kann im Abstand von einigen Minuten, bis zu einer Stunde erfolgen. Die Forscher stellten fest, dass die Effizienz der Solarzelle während der Untersuchung um rund ein Viertel absank. Parallel dazu gelang ihnen der intensive Blick in die inneren Struktur der aktiven Schicht der organischen Solarzellen, die das Herzstück organischer Solarzellen sind.

Wie erfolgt die Röntgenuntersuchung bei Solarzellen?

Der elektrische Strom wird in den Solarzellen in aktiven Domänen erzeugt. Das Licht wird dort absorbiert. Durch diesen Prozess wird elektrische Ladung frei gesetzt. Bei den vorher beschriebenen Untersuchungen betrugen die Ergebnisse der Messung, zu Beginn im mittleren Durchmesser, knapp 70 Nanometern (das sind millionstel Millimeter). Während der Untersuchung wuchsen die Ergebnisse um etwa 17 Prozent an. Gleichzeitig stieg, wie die Röntgenmessungen zeigten, der mittlere Abstand der aktiven Domänen, um 19 Prozent,  an. Insgesamt stieg der Wert von 310 auf 370 Nanometer. Der Erstautor Christoph Schaffer, Doktorand aus der Arbeitsgruppe von Müller-Buschbaum, legt nahe, dass während des Betriebs kleine Domänen, zugunsten größerer, unwiederbringlich verschwinden können. Die Beobachtung zeigt, dass die Domänen sich voneinander entfernen und sich ihre Gesamtfläche verringert.

Was geschieht wenn Störungen in den organischen Solarzellen gefunden werden?

Dr. Stephan Roth, verantwortlicher DESY-Wissenschaftler für die Messstation P03, erklärt, dass die Untersuchung der organischen Solarzellen der ersten Schritt bei einer Kontrolluntersuchung ist. Wenn Fehler festgestellt werden, wird, mittels geeigneter Substanzen, deren Wachstum gehemmt. Oder es  wird versucht dieses jedenfalls gezielt zu steuern. Um diesen Prozess von Anfang an schon bei der Produktion zu berücksichtigen, ist es denkbar, dass die innere Struktur von Polymer-Solarzellen unterschiedlich gestaltet wird. Der aktive Bereich in den Solarzellen könnte während der ersten Betriebsstunden zum Beispie,l eine optimale Struktur entwickeln. Solche Maßnahmen könnten bewirken, dass Solarzellen die industriell produziert werden, auch wenn sie länger im  Betrieb sind, die wirtschaftliche Effizienz steigern.

Das ist DESY

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist in Deutschland das führende und international ein anerkanntes Beschleunigerzentrum Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft. An seinen Standorten in Hamburg und bei Berlin, entwickelt, baut und betreibt das DESY  Teilchenbeschleuniger. Diese dienen zur Erforschung der Struktur von Materie. Die optimale Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik beim DESY, ist in Europa einmalig.