DPMA - Erfinderaktivitäten 2006/2007

dieser kohlenstoffhaltigen Substanzen ist, dass sie auf
Grund langjährig gewonnener Erfahrung in der Kunststoff-
Industrie sehr einfach, kontrolliert und kostengünstig
herstellbar und verarbeitbar sind. Aber eigenen sie sich
auch zum Einsatz als aktive Materialien innerhalb von
Solarzellen?
3. Physikalische Grundlagen polymerer
Solarzellen
In polymeren Solarzellen werden typischerweise
konjugierte Polymere als aktive, Licht absorbierende
Materialien verwendet [5], [6]. Konjugierte Polymere
bestehen aus einer Kette von Kohlenstoffatomen, die
abwechselnd einzeln und doppelt gebunden sind. Die pz-
Orbitale der einzelnen Kohlenstoffatome überlappen sich
und bilden ein bindendes und ein antibindendes Orbital,
die auf verschiedenen energetischen Stufen liegen,
vergleichbar mit dem Valenzband und dem Leitungsband
im kristallinen Halbleitermaterial. Durch die Einstrahlung
eines Photons kann das Elektron auf den energetisch
höheren Zustand gehoben werden. Damit enden allerdings
die Parallelen zur kristallinen Solarzelle. Bei dieser können
sich die Ladungsträger innerhalb des Kristalls frei
bewegen und werden durch das Feld der
Raumladungszone des p-n-Übergangs getrennt.
Im Polymer hingegen
• liegt das Elektronen-Loch-Paar in gebundener Form
als Exziton vor und ist schwer zu trennen,
• gibt es keine dem kristallinen Bauelement
vergleichbare Raumladungszone, und
• ist die Ladungsträgerbeweglichkeit generell deutlich
schlechter als im Kristall; der Ladungsträger kann sich
nur durch sogenanntes „Hopping“ über die Moleküle
hinweg fortbewegen.
Schwerwiegende Nachteile, die bei der Realisierung
polymerer Solarzellen überwunden werden müssen!
4. Realisierung polymerer Solarzellen
4.1. Verwendung von Fullerenen
Um das Problem der gebundenen Ladungsträger in Form
von Exzitonen in den Griff zu bekommen, wird nach dem
Stand der Technik dem konjugierten Polymer ein
Akzeptormaterial beigemischt.
Die Grenzfläche zwischen dem konjugierten Polymer und
dem beigemischten Akzeptormaterial, die sich im Idealfall
über das ganze Gebiet des Sonnenlicht-Absorbers
ausdehnt, wird als „Bulk-Heterojunction“ bezeichnet. An
dieser Grenzfläche können die Exzitonen aufgespaltet und
Ladungsträger getrennt werden, was insgesamt zu einer
deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrads der polymeren
Solarzelle führt.
Als sehr gut geeignete Akzeptormaterialen hat sich die
Kohlenstoffmodifikation der Fullerene erwiesen, wegen
ihrer Form auch als „Fußball-Moleküle“ geläufig.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift [7] ist ein
Verfahren zur Bildung eines Licht absorbierenden
Halbleitersubstrats bestehend aus einem Fulleren-
Netzwerk und einem konjugierten Polymer bekannt.
Figur 2: aus [7], Polymerlösung 12 dringt in die Poren 14 eines
Fulleren-Netzwerks 10 zur Bildung eines Halbleitersubstrats 2.
Ein billiges, poröses Netzwerk aus reinen, unsubstituierten
Fullerenen wird als Grundmaterial verwendet. Mit Hilfe
eines einfach zu handhabenden Tintendruckverfahrens
lässt sich ein flüssiges Polymer auf das Fulleren-Netzwerk
auftragen, dringt in dessen Poren ein und bildet so über
die ganze Fläche des Halbleitersubstrats verteilte „Bulk-
Heterojunctions“, den Grenzflächen zwischen beiden
Materialkomponenten.
18 Erfinderaktivitäten 2006/2007