Hiroshima-Universität: Durchbruch löst langjährigen Zielkonflikt in der organischen Photovoltaik
Der Durchbruch bei organischer Photovoltaik der Universität Hiroshima verspricht eine verbesserte Effizienz erneuerbarer Energien und minimiert Energieverluste.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Itaru Osaka und Assistenzprofessor Tsubasa Mikie an der Graduate School of Advanced Science and Engineering der Hiroshima University hat einen bedeutenden Meilenstein in der Technologie erneuerbarer Energien erreicht. In Zusammenarbeit mit der Kyoto University, dem RIKEN-Forschungsinstitut, der University of Tsukuba und dem Toray Research Center hat das Team erfolgreich ein seit Langem bestehendes Dilemma in der organischen Photovoltaik gelöst, die allgemein als organische Dünnschicht-Solarzellen bekannt ist. Dieser Durchbruch verspricht, die Verwirklichung einer kohlenstoffarmen Gesellschaft zu beschleunigen, indem Energieverluste bei der Stromerzeugung deutlich minimiert werden.
Organische Photovoltaik hat aufgrund ihres leichten, flexiblen und semitransparenten Charakters weltweit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und kann durch umweltfreundliche Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Anders als herkömmliche starre Silizium-Solarzellen oder Perowskit-Solarzellen lassen sich organische Photovoltaik in alltägliche Oberflächen wie Gebäudewände, Notzelte und Fenster integrieren. Ihre Kommerzialisierung wurde jedoch durch einen großen Verlust an Photonenenergie, auch als Spannungsverlust bezeichnet, behindert. Beim Design organischer Solarzellen besteht ein kritischer Zielkonflikt: Die Verringerung des Spannungsverlusts zur Steigerung der Spannung führt typischerweise zu einem starken Rückgang des erzeugten elektrischen Stroms.
Um dieses anhaltende Hindernis zu überwinden, entwickelte das gemeinsame Forschungsteam einen neuartigen p-Typ-Halbleiterpolymer mit dem Namen PTNT1负F. Durch den Einsatz dieses neu entwickelten Materials in der photoaktiven Schicht der Solarzelle konnten die Forschenden den Spannungsverlust erfolgreich minimieren und gleichzeitig eine hohe Stromausbeute beibehalten. Das innovative Design senkte den Spannungsverlust im Vergleich zu konventionellen Technologien um bis zu dreißig Prozent und steigerte gleichzeitig die Ladungsgenerationsrate um bis zu zehn Prozent.
Anhand fortschrittlicher spektroskopischer Messungen, Elektronenmikroskopie und quantenchemischer Berechnungen stellte das Team fest, dass die strukturelle Steifigkeit des Polymergerüsts eine entscheidende Rolle dabei spielt, diesen Zielkonflikt aufzubrechen. Diese Erkenntnis liefert wichtige Designrichtlinien für das molekulare Engineering leitfähiger Kunststoffe der nächsten Generation. Der Erfolg dieser Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für hocheffiziente, ultradünne und flexible Energiequellen und ebnet den Weg für die allgegenwärtige Integration von Solarenergie in Smart Cities und tragbare Elektronik.
