Organische Solarzellen: Eine neue Option für eine grüne Energiezukunft

Von der Nutzung des uralten Naturfeuers über die Verwendung von Brennholz bis hin zur Nutzung von Kohle und Öl ist die Entwicklung der menschlichen Zivilisation im Wesentlichen auf die Entwicklung der Fähigkeit zur Energienutzung zurückzuführen. Bislang beruhen die menschliche Zivilisation und die wirtschaftliche Entwicklung weitgehend auf der Entwicklung und Nutzung fossiler Energie. Im 21. Jahrhundert werden die Menschen aufgrund der Besorgnis über die nicht erneuerbaren fossilen Energiereserven auf der Erde und die immer stärkere Umweltverschmutzung durch die Ausbeutung und Nutzung fossiler Energie den Bereich der grünen, nachhaltigen Energie, wie Solarenergie, Windenergie, Wasserenergie usw., erforschen.

„Nur die Lösung des wissenschaftlichen Problems der effizienten Nutzung der Sonnenenergie ist der Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung der Menschheit“. Professor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, erklärte: Die Sonne ist die Mutter aller Dinge und die „Quelle“ der Energie. Wenn die Sonnenenergie, die die Erde zu jeder Zeit erreicht, auf zwei Teile pro 10.000 nutzbar gemacht werden könnte, könnte der gesamte Energiebedarf der menschlichen Gesellschaft gedeckt werden. Aus diesem Grund haben Professor Chen Yongsheng und sein Team ihren wissenschaftlichen Forschungsauftrag in einem Satz zusammengefasst: „Zur Sonne für Energie!“

1. Es wird erwartet, dass organische Solarzellen auf den Markt kommen werden

Bei der Nutzung der Solarenergie durch den Menschen sind Solarzellen, d. h. die Nutzung des „photovoltaischen Effekts“ zur direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie, derzeit weit verbreitet, aber auch eine der vielversprechendsten Technologien.

Lange Zeit hat man sich bei der Herstellung von Solarzellen eher auf anorganische Materialien wie kristallines Silizium gestützt. Die Herstellung dieser Art von Batterie hat jedoch Nachteile wie komplizierte Verfahren, hohe Kosten, hoher Energieverbrauch und starke Verschmutzung. Die Suche nach einem neuen organischen Material, das kostengünstig, hocheffizient, flexibel und umweltfreundlich ist, um eine neue Art von Solarzelle zu entwickeln, ist nun das Ziel von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt.

„Unter Verwendung des auf der Erde am häufigsten vorkommenden Kohlenstoffmaterials als Basisrohstoff ist die Gewinnung effizienter und kostengünstiger grüner Energie mit technischen Mitteln von großer Bedeutung für die Lösung der großen Energieprobleme, vor denen die Menschheit derzeit steht.“ Chen Yongsheng führte aus, dass die in den 1970er Jahren begonnene Forschung auf dem Gebiet der organischen Elektronik und der organischen (polymeren) Funktionsmaterialien Möglichkeiten für die Verwirklichung dieses Ziels geboten hat.

Im Vergleich zu anorganischen Halbleitermaterialien, die durch Silizium repräsentiert werden, haben organische Halbleiter viele Vorteile wie niedrige Kosten, Materialvielfalt, einstellbare Funktionen und flexibles Drucken. Derzeit werden Displays auf der Basis von organischen Leuchtdioden (OLeds) kommerziell hergestellt und sind in Mobiltelefonen und Fernsehgeräten weit verbreitet.

Die organische Solarzelle, die auf organischem Polymermaterial als lichtempfindlicher aktiver Schicht basiert, hat die Vorteile der Materialstrukturvielfalt, der großflächigen, kostengünstigen Druckvorbereitung, der Flexibilität, der Lichtdurchlässigkeit und sogar der vollständigen Transparenz und verfügt über viele hervorragende Eigenschaften, die anorganische Solarzellentechnologie nicht hat. Sie ist nicht nur ein normales Stromerzeugungsgerät, sondern hat auch ein großes Anwendungspotenzial in anderen Bereichen wie der energiesparenden Gebäudeintegration und tragbaren Geräten, was in Wissenschaft und Industrie großes Interesse geweckt hat.

„Vor allem in den letzten Jahren hat die Forschung an organischen Solarzellen eine rasante Entwicklung genommen, und die photoelektrische Umwandlungseffizienz wird ständig verbessert. Gegenwärtig ist die wissenschaftliche Gemeinschaft allgemein der Ansicht, dass organische Solarzellen die Morgendämmerung der Kommerzialisierung erreicht haben.“ sagte Chen Yongsheng.

2. Den Engpass durchbrechen: Verbesserung des Wirkungsgrads der photoelektrischen Umwandlung anstreben

Der Engpass, der die Entwicklung organischer Solarzellen behindert, ist der niedrige Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung. Die Verbesserung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz ist das Hauptziel der Forschung an organischen Solarzellen und der Schlüssel zu ihrer industriellen Nutzung. Daher ist die Herstellung von in Lösung verarbeitbaren aktiven Materialien mit hohem Wirkungsgrad, geringen Kosten und guter Reproduzierbarkeit die Grundlage für die Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz.

Chen Yongsheng stellte vor, dass sich die frühe Forschung im Bereich der organischen Solarzellen hauptsächlich auf die Entwicklung und Synthese von polymeren Donormaterialien konzentrierte und die aktive Schicht auf der Massenheterostruktur von Fulleren-Derivaten basierte. Mit den kontinuierlichen Fortschritten in der Forschung und den höheren Anforderungen an die Materialien in der Gerätetechnologie haben lösliche oligomolekulare Materialien mit bestimmbarer chemischer Struktur große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

„Diese Materialien haben die Vorteile einer einfachen Struktur, einer leichten Reinigung und einer guten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von photovoltaischen Geräten.“ Chen Yongsheng sagte, dass die meisten Lösungen mit kleinen Molekülen in der Anfangsphase nicht gut für die Bildung von Filmen geeignet waren, so dass die Geräte hauptsächlich durch Verdampfung hergestellt wurden, was ihre Anwendungsmöglichkeiten stark einschränkte. Ein von den Wissenschaftlern erkanntes Schlüsselproblem ist die Entwicklung und Synthese von Materialien für photovoltaisch aktive Schichten mit guter Leistung und bestimmter Molekularstruktur.

Mit seinem scharfen Blick und seiner sorgfältigen Analyse des Forschungsfeldes wählte Chen Yongsheng die neuen organischen kleinen Moleküle und oligomeren aktiven Materialien, die mit einer Lösung verarbeitet werden konnten, die damals große Risiken und Herausforderungen mit sich brachten, als Durchbruchspunkt für die Forschung im Bereich der Solarenergieerzeugung aus. Von der Entwicklung molekularer Materialien bis hin zur Optimierung der Herstellung photovoltaischer Geräte führte Chen Yongsheng ein wissenschaftliches Forschungsteam, das Tag und Nacht forschte, und nach 10 Jahren unermüdlicher Bemühungen wurde schließlich ein einzigartiges System oligomerer organischer Solarmaterialien mit kleinen Molekülen entwickelt.

Von einem Wirkungsgrad von 5 % auf über 10 % und dann auf 17,3 % brechen sie weiterhin den Weltrekord auf dem Gebiet der photovoltaischen Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen. Ihre Konstruktionskonzepte und -methoden haben in der wissenschaftlichen Gemeinschaft weite Verbreitung gefunden. In den letzten zehn Jahren haben sie fast 300 wissenschaftliche Artikel in international renommierten Zeitschriften veröffentlicht und mehr als 50 Erfindungspatente angemeldet.

3. Ein kleiner Schritt für die Effizienz, ein großer Sprung für die Energie

Chen Yongsheng hat darüber nachgedacht, wie hoch der Wirkungsgrad von organischen Solarzellen sein kann und ob sie schließlich mit Solarzellen auf Siliziumbasis konkurrieren können? Wo liegt der „Schmerzpunkt“ bei der industriellen Anwendung von organischen Solarzellen und wie kann er geknackt werden?

In den letzten Jahren hat sich die organische Solarzellentechnologie zwar rasch weiterentwickelt und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad hat 14 % überschritten, aber im Vergleich zu anorganischen und Perowskit-Materialien, aus denen Solarzellen bestehen, ist der Wirkungsgrad immer noch gering. Obwohl bei der Anwendung der Fotovoltaiktechnologie eine Reihe von Indikatoren wie Effizienz, Kosten und Lebensdauer berücksichtigt werden sollten, steht die Effizienz immer an erster Stelle. Wie kann man die Vorteile organischer Materialien nutzen, das Materialdesign optimieren und die Batteriestruktur und den Herstellungsprozess verbessern, um eine höhere photoelektrische Umwandlungseffizienz zu erzielen?

Seit 2015 hat das Team von Chen Yongsheng begonnen, organische laminierte Solarzellen zu erforschen. Er ist der Ansicht, dass die Entwicklung von laminierten Solarzellen eine sehr gute Lösung ist, um die technische Leistung von Solarzellen auf der Basis anorganischer Materialien zu erreichen oder sogar zu übertreffen. Organische laminierte Solarzellen können die Vorteile von organischen/polymeren Materialien wie strukturelle Vielfalt, Sonnenlichtabsorption und Anpassung des Energieniveaus voll ausnutzen und ausspielen. Man erhält ein aktives Schichtmaterial für die Unterzellen mit einer guten komplementären Sonnenlichtabsorption und erreicht so einen höheren photovoltaischen Wirkungsgrad.

Basierend auf den oben genannten Ideen verwendeten sie eine Reihe von oligomeren kleinen Molekülen, die vom Team entworfen und synthetisiert wurden, um organische laminierte Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 12,7 % herzustellen. Die Forschungsergebnisse wurden im Bereich der Top-Zeitschrift "Nature Photonics" veröffentlicht und die Studie wurde als „Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017“ ausgewählt.

Wie viel Spielraum gibt es, um die photoelektrische Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen zu verbessern? Chen Yongsheng und sein Team analysierten systematisch Tausende von Literatur und experimentellen Daten über Materialien und Bauelemente im Bereich der organischen Solarenergie und kombinierten sie mit ihren eigenen Forschungsergebnissen und experimentellen Ergebnissen, um die tatsächliche maximale fotoelektrische Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen, einschließlich mehrschichtiger Bauelemente, sowie die Parameteranforderungen für ideale aktive Schichtmaterialien vorherzusagen. Auf der Grundlage dieses Modells wählten sie die aktiven Schichtmaterialien der vorderen und der hinteren Zelle mit einer guten komplementären Absorptionskapazität im sichtbaren und nahen Infrarotbereich aus und erzielten einen verifizierten photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von 17,3 %, der der weltweit höchste photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad ist, über den in der aktuellen Literatur über organische/polymere Solarzellen berichtet wird, und der die Forschung im Bereich der organischen Solarzellen auf ein neues Niveau hebt.

„Bei einem Energiebedarf Chinas von 4,36 Milliarden Tonnen Standardkohleäquivalent im Jahr 2016 bedeutet eine Erhöhung des photoelektrischen Wirkungsgrads von organischen Solarzellen um einen Prozentpunkt, dass der entsprechende Energiebedarf durch Solarzellen erzeugt wird, was eine Verringerung der Kohlendioxidemissionen um etwa 160 Millionen Tonnen pro Jahr bedeutet.“ sagte Chen Yongsheng.

Manche sagen, Silizium sei der wichtigste Grundstoff im Informationszeitalter, und seine Bedeutung liegt auf der Hand. Nach Ansicht von Chen Yongsheng haben Siliziumwerkstoffe jedoch auch ihre Nachteile: „Ganz abgesehen von den enormen Energie- und Umweltkosten, die bei der Herstellung von Siliziummaterialien anfallen, ist es aufgrund seiner harten und spröden Eigenschaften schwierig, die flexiblen Anforderungen zukünftiger menschlicher tragbarer Geräte zu erfüllen.“ Daher werden technische Produkte auf der Basis von flexiblen, gut faltbaren Kohlenstoffmaterialien die absehbare Entwicklungsrichtung der neuen Materialdisziplin sein