Elektrisch leitfähige Polymere in der organischen Photovoltaik

Die Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenschein erfreut sich in Zeiten immer knapper werdender Ölvorräte höchster Aufmerksamkeit. Hauptträger dieser Entwicklung sind Solarzellen, die aus mono- und polykristallinem Silizium hergestellt werden. Vorteile dieser Solarzellen sind ihre hohe Energieeffizienz und ihre Langzeitstabilität. Dagegen werden Dünnschicht-Solarzellen auf einem Glassubstrat aufgebaut und nutzen eine dünne Schicht von Kupferverbindungen als Halbleiter.

Der entscheidende Unterschied künftiger organischer Solarzellen wird dagegen darin bestehen, dass diese über Beschichtungs- und Druckverfahren einfach verarbeitet werden können. Dadurch würden sowohl die Fertigungskosten als auch der Investitionsbedarf für Aufdampf- und Sputteranlagen deutlich reduziert. Polymere als Halbleiter und Leiter sind darüber hinaus mechanisch flexibel und erlauben den Aufbau von Solarzellen auf Kunststofffolien. Somit wird eine sehr preisgünstige und hochflexible Solarzelle verfügbar, die jedoch in einigen Eigenschaften mit den Silizium- und Dünnschichtsolarzellen nicht mithalten kann. Organische Materialien sind in der Regel weniger stabil über sehr lange Zeiträume und können unter dem Einfluss von Sonnenlicht und Wärme degradieren.
Zudem hinkt die Energieeffizienz organischer Zellen derjenigen von Silizium- und Dünnschichtzellen noch hinterher. Während anorganisch-organische Hybridzellen aus Titandioxid und Farbstoffen (dye sensitized solar cells = DSSC) es bereits auf eine Energieeffizienz von ca. 10% bringen, liegt diejenige reiner Polymer-Solarzellen (organic photovoltaic cells = OPV) derzeit zwischen 5 und 7%. Allerdings wurden bei organischen Solarzellen in den letzten Jahren deutliche Fortschritte erreicht. Basis dafür war sowohl die Entwicklung neuer Materialien als auch die Optimierung der Zellstrukturen.
Das vorherrschende Vermarktungsmodell für Silizium- und Dünnschicht-Solarzellen ist die Installation von Solarzellen z.B. auf Hausdächern und die Einspeisung des erzeugten Stroms in das vorhandene Stromnetz. Im Gegensatz hierzu sind OPVs als kostengünstige Energiequelle zum dezentralen Betrieb z.B. von Lampen, Unterhaltungs- und Telekommunikationsgeräten gedacht. In diesen Anwendungen werden geringe Kosten als Schlüsseleigenschaft betrachtet, die Anforderungen an Effizienz und Stabilität sind moderat.

Polymere sind der Schlüssel zur Entwicklung von OPVs

Schlüssel für die Entwicklung von OPVs ist die Verfügbarkeit geeigneter polymerer Funktionsmaterialien, hauptsächlich Halbleiter und Leiter. Die technisch wichtigsten leitfähigen Polymere sind Poly(3,4)ethylendioxythiophen, kurz PEDOT, und Polyanilin. Bislang wurden diese bei der Herstellung von Kondensatoren und Leiterplatten angewandt. PEDOT wird zudem in antistatischen Folien für die Herstellung von Flachbildschirmen und bei der Verpackung elektronischer Bauelemente verwendet. Aufgrund der stürmischen Entwicklung der Leitfähigkeit von PEDOT beginnt sich dieses Polymer ernsthaft z.B. bei Touch-Screens als transparenter Leiter gegenüber dem derzeitigen Standard-Material, dem Indium-Zinn-Oxid, kurz ITO, durchzusetzen. PEDOT kann je nach Eigenschaften in verschiedenen Funktionen in OPVs genutzt werden: als Lochleiter und als transparente Anode.

OPVs funktionieren im Prinzip wie herkömmliche Siliziumzellen: Einfallendes Sonnenlicht wird in einer Halbleiterschicht in Ladungsträger umgewandelt, diese werden zu den Elektroden abgeführt und einem externen Verbraucher zur Verfügung gestellt.
Als aktive Halbleiterschicht haben sich verschiedene organische Halbleitersysteme etabliert und stehen zum Teil auch kommerziell zur Verfügung. Es handelt sich in der Regel um Mischungen von zwei verschiedenen Halbleitertypen, einem n- und einem p-Halbleiter. Während bei Silizium die Elektronen- und Lochleitfähigkeiten durch gezieltes Einbringen von wenigen Fremdatomen wie Phosphor oder Bor in das Siliziumgitter eingestellt werden (n- und p-Dotierung), werden in OPVs unterschiedliche organische Verbindungen als n- und p-Leiter benötigt. Durch das einfallende Licht entstehen in einer Solarzelle jeweils Paare aus positiven und negativen Ladungsträgern, die ohne eine schnelle Trennung sofort wieder rekombinieren und dabei Licht aussenden würden.
Man benötigt also sowohl einen n-Halbleiter, der die Elektronen transportiert, als auch einen p-Halbleiter, der die Löcher abführt. Eines der bekanntesten polymeren Halbleitersysteme für die Photovoltaik ist das Gemisch aus Poly-(3-hexylthiophen) (P3HT) und dem Fullerenderivat [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM), abgekürzt P3HT:PCBM.

Schnelle Ladungstrennung notwendig

Für eine möglichst gute energetische Ausnutzung des Sonnenlichts benötigt der Halbleiter eine breite Absorption über das gesamte Spektrum des Sonnenlichts. Das Polymer P3HT erfüllt diese Forderung bereits weitgehend. Es geht bei Aufnahme eines Lichtquants in einen angeregten Zustand über, von dem das PCBM ein Elektron übernimmt und zur Kathode leitet. Für eine effektive Übertragung und Ableitung der Elektronen auf das PCBM ist zum einen eine möglichst große „Kontaktfläche“ zwischen P3HT und PCBM notwendig, zum anderen aber auch durchgehende Leitungspfade aus PCBM, die vom Ort der Ladungstrennung bis zur Kathode reichen. Hierfür wird eine geeignete Phasenstruktur aus P3HT und PCBM in der Halbleiterschicht benötigt, deren Erzeugung einer der kritischen Schritte bei der Herstellung von organischen Solarzellen darstellt.

Die positiven Ladungsträger, Defektelektronen oder „Löcher“, werden vom P3HT an die Lochtransportschicht geführt, dort aufgenommen und dann der Anode zugeführt. Als Lochtransportmaterial hat sich PEDOT etabliert. Das Polymer wird daneben aber auch zunehmend als transparente Elektrode eingesetzt. PEDOT:PSS, ein Komplex aus Polyethylendioxythiophen und Polystryrolsulfonsäure, ist als wässrige Dispersion erhältlich und lässt sich leicht verarbeiten. Als Lochtransportmaterial auf ITO aufgebracht, glättet die Dispersion zum einen die Oberfläche des ITO, andererseits wird der Übergangswiderstand beim Lochtransfer minimiert.
Die elektrische Leitfähigkeit beträgt ca. 10-3S/cm. Dies ist eine vergleichsweise niedrige elektrische Leitfähigkeit – als Elektrode eingesetzt, würden die entstehenden Leitungswiderstände die Energieeffizienz der Zelle deutlich beeinträchtigen. Inzwischen sind aber PEDOT:PSS-Schichten mit einer Leitfähigkeit von 1000S/cm möglich. Somit kommt die Leitfähigkeit des Materials der von ITO inzwischen sehr nahe – und ist dabei wesentlich einfacher zu verarbeiten. ITO muss in energetisch und apparativ sehr aufwendigen Verfahren aufgesputtert werden. Mit ITO besputterte Gläser erreichen bis zu 6000S/cm, mit ITO beschichtete Kunststofffolien aber nur bis 2000S/cm. Als anorganisches Glas ist ITO zudem sehr spröde, so dass damit beschichtete Folien bei mechanischer Beanspruchung aufgrund von Rissen schnell an Leitfähigkeit verlieren.
Die Aussicht auf geringere Kosten als auch die deutlich höhere Flexibilität hat weltweit eine Reihe von Versuchen motiviert, in denen PEDOT:PSS zusätzlich als transparente Anode in organischen Solarzellen eingesetzt wurde. Es konnte so nachgewiesen werden, dass Solarzellen mit einer solchen Anode denjenigen mit einer ITO-Anode in Bezug auf Energieeffizienz ebenbürtig sind. Dadurch ist es nun möglich, Anodenstrukturen direkt auf Folien zu drucken und so die Kosten des Herstellprozesses nochmals zu senken.
Fazit: Organische Solarzellen haben in den letzten Jahren eine stürmische Entwicklung erlebt, die sowohl auf die Entwicklung neuer Materialien als auch auf die Optimierung der Zellstrukturen zurückzuführen ist. PEDOT:PSS ist ein wichtiger Bestandteil für organische Solarzellen und hatte an dieser Entwicklung erheblichen Anteil.