Organische Solarzellen DIETER WÖHRLE OLAF R. HILD

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1 DOI: /ciuz Energie der Zukunft Organische olarzellen DIETER WÖHRLE OLAF R. HILD Unter den erneuerbaren Energien kommt der utzung der olarenergie über Photovoltaische olarzellen eine besondere Bedeutung zu. Daher wird neben der Verbesserung der bewährten anorganischen olarzellen auch an der Entwicklung von preiswerteren olarzellen gearbeitet, die organische Materialien als aktive Verbindungen für die Energieumwandlung verwenden. Flexible organische Feststoff- olarzelle An einigen Fakten zur Energieversorgung kommen wir nicht vorbei: Die Weltbevölkerung von derzeit 6,75 Milliarden wird bis 2030 wohl auf über 8 Milliarden steigen. Zudem ist besonders in den Entwicklungs- und chwellenländern mit einer überproportionalen Verbesserung des Lebensstandards zu rechnen. Damit verbunden ist ein starker Anstieg des Weltenergiebedarfs an Primärenergie von zurzeit 1, kwh pro Jahr um ca. 50 % auf etwa 1, kwh im Jahr Die natürlichen Ressourcen an fossilen Rohstoffen und Erzen für nukleare Brennstoffe sind jedoch begrenzt. eben Energieeinsparung und rationeller Verwendung bietet sich die zunehmende utzung erneuerbarer und auch umweltfreundlicher Energiequellen an, die uns die atur zur Verfügung stellt. Bedarf an preiswerten olarzellen Die jährliche solare Einstrahlung auf der Erdoberfläche übersteigt mit 1, kwh/jahr (davon 1, kwh Lichtenergieeintrag) statistisch gesehen den Weltprimärenergieverbrauch um das fache. Eine Möglichkeit zur utzung dieser Energie ist die Umwandlung solarer trahlung mit Hilfe von Photovoltaikanlagen in elektrische Energie, die direkt eingesetzt oder umgewandelt bzw. gespeichert werden kann. In Deutschland ist der prozentuale Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch von 1,9 % 1995 auf 7,1 % im Jahr 2008 gestiegen Der Anteil an elektrischer Energie aus Photovoltaikanlagen, der gegenwärtig zumeist auf iliciumsolarzellen bzw. modulen basiert, ist zurzeit noch gering, obwohl mit heutigen Photovoltaikanlagen je nach geographischer Lage, Dachausrichtung und -neigung bis zu 150 kwh pro m 2 und Jahr in Deutschland geerntet werden können. Für die tromerzeugung mit anorganischen olarzellen erwartet man in Deutschland bereits zwischen 2013 und 2015 gleich hohe Herstellungskosten wie bei konventionell erzeugtem trom [1a]. Um die Herstellungskosten von olarzellen zu senken, wird an der Weiterentwicklung anorganischer olarzellen ebenso gearbeitet (höhere Wirkungsgrade, verbesserte Fertigungstechnologien, Dünnschichttechnologien) wie an der Entwicklung preiswerterer organischer olarzellen. Dabei zeichnen sich im Bereich der Zellen mit organischen Verbindungen als aktive Komponenten zwei Alternativen ab, die in diesem Artikel eingehender besprochen werden: Photosensibilisierungszellen und Feststoff-olarzellen organischer Halbleiter. Die Markteinführung steht in den kommenden Jahren bevor, und es wird erwartet, dass 2015 ein Umsatz von ca. 900 Mill. U$ erreicht wird (Abbildung 1). Zunächst soll kurz auf die Photosynthese als wichtigsten und für alles Leben notwendigen Prozess in der atur zur utzung von olarenergie hingewiesen werden, der mit organischen Molekülen auf molekularer Ebene arbeitet. Daran schließen sich Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen an, die auch auf molekularer Ebene arbeiten. Die Funktionsweise anorganischer Feststoff-olarzellen wird kurz behandelt, um die organischen Feststoff-olarzellen besser zu verstehen und einen Vergleich zu haben. Damit gewinnen wir einen umfassenden Einblick in solare Energieumwandlungssysteme unter besonderer Berücksichtigung aktueller Entwicklungen. Photosynthese als Modellfall für die Umwandlung von olarenergie In der oxygenen Photosynthese, die in der Thylakoidmembran der Chloroplasten der Pflanzen abläuft, werden unter Aufnahme der Energie der sichtbaren olarstrahlung in Reaktionen, die Licht benötigen (Lichtreaktionen) und nach Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

2 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE folgenden Reaktionen, die auch ohne Licht ablaufen (Dunkelreaktionen, Calvin-Zyclus), letztendlich die energiearmen Verbindungen CO 2 und H 2 O in die energiereichen Produkte O 2 und Glucose umgewandelt [2,3]. Auch bei photovoltaischen olarzellen stehen zunächst Prozesse unter Lichteinstrahlung im Vordergrund, denen sich dann utzung, Umwandlung oder peicherung in Dunkelprozessen anschließen. Es sollen nur die Lichtreaktionen der Photosynthese skizziert werden. In den durch Photonen induzierten Lichtreaktionen erfolgt die Umwandlung des onnenlichtes in chemische Energie (Gleichung 1). Dabei reagieren Wasser, ADP +, ADP und Phosphat als energiearme Verbindungen zu O 2, ADPH, ATP als energiereiche Produkte, und es werden Protonen frei. PHOTOVOLTAIK-TECHOLOGIE IM ÜBERBLICK 1. Generation: ilicium-zellen Mono- und polykristallines ilicium 2. Generation: Dünnschicht-Zellen amorphes oder micromorphes i Cadmiumtellurid CdTe Kupfer-Indium-(Gallium)-elen (CI/CIG) 3. Generation: Organische Zellen Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen organische Feststoff-olarzellen ABB. DER MARKT 1 2H 2 O + 2ADP + + 3ADP 3 + 3HPO hν O 2 + 2ADPH + 3ATP 4 + 3H 2 O (1) ADP + /ADPH: oxidierte und reduzierte Form von icotinamidadenindinucleotidphosphat, ATP/ADP: Adenosintri- bzw. diphosphat, HPO 4 2 : Phosphat; die entstehenden 3H 2 O entstammen der Bildung von 3ATP 4 aus 3ADP 3 + 3HPO 4 2 Im Photosyntheseapparat (Abbildung 2) existieren zwei Photosysteme, in denen alle Prozesse auf molekularer Ebene ablaufen: Photosysteme I und II (P I, P II) als Tandem in Reihe geschaltet (siehe Tandemzellen bei organische Feststoff-olarzellen). Diese enthalten dimere Chlorophyll-a- Moleküle als aktive Verbindung, und mit jeweils einem Photon werden durch sichtbares Licht induzierte Anregungen vorgenommen. Chlorophylle in P I, P II haben durch unterschiedliche Anordnung und Umgebung etwas verschiedene Eigenschaften, z.b. absorbieren die Chlorophylle in P I bei Wellenlänge λ 700 nm (P700 genannt) und in P II bei λ 680 nm (P680 genannt). ach Gleichung 1 werden für die Bildung von einem Molekül O 2 aus 2 H 2 O insgesamt 8 Photonen benötigt: 1 Photon im P700 des P I, 1 Photon im P680 des P II; Ablauf dieser Anregungen viermal, um 4 Elektronen bei der Wasseroxidation zu entziehen (2H 2 O O 2 + 4H + + 4e). Unter solarer Einstrahlung können aber nicht alle Photonen absorbiert werden. Daher sind P I und P II in Lichtsammlerkomplexen (Antennensysteme), die aus einer Vielzahl von im sichtbaren Bereich absorbierenden Chlorophyll- und Carotinoid-Molekülen bestehen, eingebettet. Wichtig ist, dass durch Kombination der verschiedenen Verbindungen mehr Licht absorbiert werden kann: z.b. Absorptionen bei λ 680, 400 nm vom Chlorophyll und bei 450, 490 nm vom Carotin (Abbildung 3). Diese Moleküle gehen nach Absorption eines Photons vom HOMO des Grundzustands in das LUMO des angeregten ingulett-zustands über. Die Anregungsenergie wird dann im Piko- bis Femtosekundenbereich ( s) auf die dimeren Chlorophyll Moleküle in P I und P II übertragen, um hier auch eine Anregung vom Grundzustand in den angeregten ingulett-zustand vorzunehmen. Entwicklung des Markts von organischen olarzellen A: Farbstoffsensibilisierungs- olarzellen. B: Organische Feststoff-olarzellen [Quelle: Report von anomarkets am ]. ABB. 2 PHOTOYTHEE chematische Darstellung des Ablaufs in einigen Reaktionszentren der Photosynthese. Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 175

3 Geglättetes Absorptionsspektrum eines Buchenblattes. In Abbildung 2 sind die nun folgenden komplexen Prozesse, die vielfach im Pikosekundenbereich ablaufen, entsprechend der Energieskala der pannungsreihe normiert gegenüber der ormalwasserstoffelektrode (HE) aufgetragen. Wichtig ist, dass die Reaktionszentren in die Membran anisotrop eingebaut sind, um Elektronen für die Reduktion und Löcher für die Oxidation räumlich schnell auseinander zu führen und Rückreaktionen zu vermeiden. Zunächst zum P II: ach Anregung von P680 entsteht im angeregten Zustand des LUMO (P680 * ) ein starkes Reduktionsmittel mit E 0 (P680 + )/P680 * )= 0,75 V gegen HE. Ein Elektron des P680 * wird nun unter Oxidation zu P680 + zu Akzeptoren und dann zum oxidierten P700 + im PI weitergereicht. Was passiert weiter mit dem oxidierten P680 +? Dies ist im Grundzustand mit E 0 (P680 + /P680) = +1,2 V gegen HE ein sehr starkes Oxidationsmittel. Die Löcher werden über Zwischenschritte in einem vierkernigen Mangankomplex gesammelt, der zwei H 2 O-Molekülen vier Elektronen entzieht und zu O 2 oxidiert: 2H 2 O O 2 + 4H+ + 4e, E 0 = +0,81 V gegen HE Dann weiter zum P I: ach Anregung von P700 E 0 (P700 + /P700*) = 1,2 V gegen HE liegt auch ein sehr starkes Reduktionsmittel vor. Das wird ausgenutzt, um über Akzeptoren schließlich zwei Elektronen im ADP + unter Beteiligung von H + und Bildung vom energiereichen ADPH zu speichern: ADP + + H + + 2e ADPH, E 0 = 0,33 V gegen HE ADPH geht jetzt in die Dunkelreaktionen (Calvin- Cyclus) ein. Das oxidierte P700 + übernimmt, wie beim PII erwähnt, ein Elektron durch die Oxidation von P680 * unter Bildung von P700 und P Wie auch in Photovoltazellen ist wichtig, welche Energie durch die Lichtreaktionen der Photosynthese zur Verfügung steht. Die in ADPH und O 2 gespeicherte Energie ABB. 3 BUCHEBLATT von insgesamt 1,14 V (siehe bei P I, P II) ist nur etwas kleiner als die theoretische Zersetzungsspannung von 2H 2 O O 2 + 2H 2 mit ΔE = 1,23 V. Man spricht auch von einer biologischen Knallgaskette. Der Wirkungsgrad der Energienutzung der Photosynthese von Pflanzenbeständen wird üblicherweise als Quotient aus der durch die jährliche ettoproduktion gespeicherten Energie (aus Licht- und Dunkelreaktionen) zur photosynthetisch verwertbaren trahlungssumme definiert [2]. Danach ergeben sich im Durchschnitt über die Vegetationsperiode je nach Pflanzen und deren tandorten Wirkungsgrade etwa 2 bis 0,2 %. Da die Photosynthese großflächig arbeitet, lässt sich die ettoprimärproduktion eines Jahres auf den Landflächen mit etwa 120 x kg und in den Meeren mit etwa 55 x kg abschätzen. Der Vergleich mit künstlichen olarzellen ist nicht einfach, da der Wirkungsgrad der Photosynthese die Dunkelreaktionen mit berücksichtigt, während bei den Photovoltazellen sich die Werte lediglich auf die Gewinnung elektrischer Energie beziehen. Trotzdem kann man sagen, dass künstliche Photovoltazellen effizienter sein können, wie in den folgenden Abschnitten ausgeführt wird. Die Photosynthese hat aber den entscheidenden Vorteil, dass sie großflächig arbeitet und den Photosyntheseapparat selbstregenerativ aufbaut. Künstliche Photovoltazellen sind nicht selbstregenerativ und müssen daher über viele Jahre stabil sein. Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen Diese Zellen sind ein gutes Beispiel dafür, wie man aus preiswerten Materialien olarzellen mit recht hohen Wirkungsgraden herstellen kann wurde von M. Grätzel eine Farbstoffsensibilisierung-olarzelle (dye-sensitized solar cell, DC), vorgestellt, die unter Einstrahlung von sichtbarem Licht einen Wirkungsgrad von 8 % erreichte [4]. Heute werden in derartigen Zellen Wirkungsgrade bis 11 % gemessen [5 7] und sind von unabhängigen Institutionen zertifiziert [8]. Aufbau und Funktionsweise Die Zellen bestehen aus fünf Bausteinen (Abbildung 4; Vorschriften für die Herstellung von Demonstrationsobjekten siehe _manual.pdf, und in [3a] Versuch 35): 1. Ein kommerzielles elektrisch leitfähiges Fluor-dotiertes no 2 (s. Glossar; FTO, Widerstand etwa 10 Ω cm 1 ) auf einem inerten Glasträger (Dicke 1 mm), das als leitfähiges ubstrat dient. 2. anokristallines Titandioxid (TiO 2 ) als elektrisch aktiver Halbleiterfilm (Dicke µm) auf dem FTO. Das TiO 2 ist farblos und absorbiert erst im UV-Bereich. 3. Ein sichtbares Licht absorbierender Farbstoff, der molekular als Photosensibilisator (P; s. Glossar) arbeitet und auf dem TiO 2 gebunden ist. TiO 2 bildet zusammen mit dem Photosensibilisator die Photoanode Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

4 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE 4. Ein mit einem sehr dünnen Platin-Film überzogenes Glassubstrat, das die photo-inerte Gegenelektrode (Kathode) darstellt. 5. Ein flüssiger Redoxelektrolyt, der ein Redoxpaar enthält (Redoxmediator). Dieser besteht aus dem Redoxpaar I 3 /3I in einem Lösungsmittel wie Acetontril, Propylencarbonat, γ-butyrolacton und weitere die Aktivität der Zelle fördernde Zusätze. Die Bildung eines Photostroms wird durch folgende Prozesse erreicht (Abbildung 4). ach Absorption eines Photons (aus der solaren Einstrahlung) geht der Photosensibilisator P * (Prozess 1) analog wie bei der Anregung in der Photosynthese in den angeregten ingulett-zustand über (Gleichung 2). Für den nun folgenden Prozess des Elektronentransfers (Prozess 2) ist die energetische Lage des Leitungsbandes (LB) des TiO 2 (bei 0,5 V vs. HE) gegenüber dem LUMO des P entscheidend. Das LUMO des P muss energetisch höher liegen als das LB des TiO 2, d.h. das TiO 2 ist der Akzeptor. Dann kann im Piko- bis Femtosekundenbereich ( s) ein Elektronentransfer vom P * unter dessen Oxidation zu P + und ammlung von Elektronen im TiO 2 erfolgen (Gleichung 3). Beim Anschluss eines Verbrauchers fließen nun die Elektronen aus dem TiO 2 über das FTO zur Gegenelektrode (Kathode) ab und reduzieren dort I 3 zu 3I (Prozess 3, Gleichung 4). Das I wandert in Lösung zur Photoanode, wo bei geeigneter Lage der Redoxpotenziale (E 0 (I 3 /3I ) negativer als (P + /P)) der oxidierte Photosensibilisator wieder in den ungeladenen Grundzustand überführt wird (Gleichung 5). Damit ist der Zyklus komplett und kann erneut ablaufen. Unerwünschte ebenreaktionen, die allerdings nur im Millisekundenbereich (10 3 s) ablaufen, sind Elektrontransfer vom LB des TiO 2 zu P + (Prozess 4, Gleichung 6) oder I 3 und deren Reduktionen (Prozess 5). P(auf TiO 2 ) + hν P * (auf TiO 2 ) (2) P*(auf TiO 2 ) P + (auf TiO 2 ) + e LB (TiO 2 ) (3) I 3 + 2e 3I (4) 2P + (auf TiO 2 ) + 3I 2P(auf TiO 2 ) + I 3 (5) P + (auf TiO 2 ) + e (TiO 2 ) P(auf TiO 2 ) (6) Damit sind aber nicht alle Voraussetzungen genannt, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, denn die einzelnen aktiven Komponenten müssen gut aufeinander abgestimmt werden. (a) Photosensibilisator: An den P werden besondere Anforderungen geknüpft. Für gute Lichtabsorption muss der P über einen möglichst großen Wellenlängenbereich mit hohem Extinktionskoeffizienten absorbieren und, wie schon erwähnt, die geeignete Lage der Redoxpotenziale aufweisen. Weiter ist eine gute Wechselwirkung mit dem Halbleiter zum schellen Elektronentransfer entscheidend. Geeignet sind P mit Carboxyloder auch Phosphorsäuregruppen, also anionische ubstituenten. Für COOH-Gruppen wurde Esterbildung mit den OH Gruppen des TiO 2 nachgewiesen. Weiterhin sollen sterisch hindernde Gruppen im P dessen Aggregation verhindern. Besonders bekannt geworden sind Ru-Pyridin-Komplexe wie 3 und Black Dye (Abbildung 5) [5,6]. Die Thiocyanat-Gruppen ergeben eine zusätzliche Wechselwirkung mit TiO 2. Auch organische Farbstoffe werden zunehmend untersucht, die nach dem Konzept Donor-(π-ystem)-Akzeptor aufgebaut sind [7]. Ein Beispiel ist der Indolin-Farbstoff D205. ABB. 4 FARBTOFFEIBILIIERUG-OLARZELLE Aufbau und Funktion einer Farbstoffsensibilisierungs-olarzelle. Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 177

5 TAB. 1 ABORPTIOPEKTRE UD PHOTOVOLTAICHE DATE EIIGER FARBTOFFEIBILIIERUG-OLARZELLE* Photo- Absorptionsmaximum/nm IPCE/% im J C / V OC /V FF η/% sensibilisator (Extinktionskoeffizient/ Absorptions- ma cm 2 L mol 1 cm 1 ) maximum (14200) 83 18,2 0,72 0,73 10 Black Dye 605 ( 7500) 80 20,9 0,74 0,72 11,1 Indolin D (75000) 79 18,6 0,72 0,72 9,5 * Lichtintensität 100 mw cm 2 (b) Titandioxid: Dieses Material ist preiswert, chemisch inert und ungiftig. Es wird im großen Mengen u.a. als weißes Pigment, in Zahnpasta und Kosmetika verwendet. Wichtig in Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen ist eine große Oberfläche und Porosität des TiO 2, um möglichst viele Photosensibilisator-Moleküle auf der Oberfläche zu fixieren und damit den Lichtsammeleffekt zu erreichen. Zunächst wird nanokristallines TiO 2 einer Teilchengröße von nur etwa 20 nm durch saure Hydrolyse von Ti(IV)-isopropoxid hergestellt (ol-gel-verfahren) [6]. Dies wird dann durch Aufsprühen der wässrigen uspension auf FTO aufgebracht und bei etwa 450 o C getrocknet und gesintert. Die Dicke der chicht mit 20 nm großen TiO 2 -Teilchen beträgt µm. Vorteilhaft ist das weitere Aufbringen einer etwa 5 µm dicken chicht kolloidaler 400 nm großer TiO 2 -Teilchen. Durch Lichtstreuung an diesen Teilchen wird eine bessere Verteilung des eingestrahlten Lichtes erreicht. (c) Beladung des TiO 2 mit dem Photosensibilisator: Zur Beladung des Halbleiters wird der P, eventuell mit weiteren Zusätzen, in einem organischen Lösungsmittel gelöst (Konzentrationen etwa 10 4 molar). Dann wird die TiO 2 -Elektrode für etwa einen Tag in die Lösung eingetaucht, um eine Beladung von etwa 10 7 mol P pro mg TiO 2 (1, mol bezogen auf eine TiO 2 Einheit, d.h. etwa jedes hunderdste Ti trägt ein P-Molekül) zu erreichen. Eine große Beladung ist wie bei den Antennensystemen der Photosynthese notwendig, um viel Licht zu absorbieren. (d) Gegenelektrode und Redoxelektrolyt: Der Vorteil von Pt ist, dass keine merkbare kinetische Hemmung zur Reduktion von I 3 auftritt. Zurzeit werden andere preiswertere Elektrodenmaterialien wie Kohleschwarz oder Graphen (2-dimensionaler Graphit) untersucht. Der Redoxelektrolyt enthält noch weitere Zusätze, um eine Verbesserung der Wechselwirkungen mit der TiO 2 /P- Photoanode zu erreichen. Die Verwendung anderer Redoxelektrolyte für I 3 /I hat bisher nicht zum Erfolg geführt. Effektivität der Zellen Durch welche Qualitätsparameter werden die Zellen charakterisiert? Hier sind zunächst IPCE-Werte zu nennen, die durch Photostrom-Aktions-pektren erhalten werden (siehe ABB. 5 PHOTOEIBILIATORE Beispiele für Ru-Komplexe und eines Indolin- Farbstoffes zur Verwendung als Photosensibilisatoren Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

6 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE ABB. 6 PHOTOTROM-AKTIO-PEKTRE IPCE /% Wellenlänge /nm ABB. 7 TROM-PAUG-KURVE trom /ma cm Black Dye 3 40 TiO V OC = 0,846 V 10 I C = 17,73 ma cm -2 FF = 0,745 Wirkungsgrad = 11,18% pannung /V Photostrom-Pho- tospannungs- Kurve einer Farbstoffsensibilisierungs-olarzelle mit dem Photosensibilisator 3 bei Einstrahlung unter AM1,5-Bedingungen. Photostrom-Aktions-pektren der Photosensibilisatoren 3 und Black Dye auf TiO 2 im Vergleich zum unbeladenen TiO 2 bei Einstrahlung unter AM1,5-Bedingungen. Aufgetragen sind die IPCE Werte (in %; siehe Glossar) gegen die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes. Glossar). Abbildung 6 vergleicht die Photostrom-Aktions- pektren von 3 und Black dye mit dem von TiO 2. Zunächst fällt auf, dass das TiO 2 keinen wesentlichen Beitrag liefert. Die beiden P ergeben hohe IPCE-Werte von %, wobei Black dye bis etwa 900 nm einen Beitrag zum Photostrom liefert, also ein einziger Farbstoff einen überraschend breiten Absorptionsbereich aufweist. Weitere zu bestimmende Werte unter Belichtung z.b. unter AM1,5- Bedingungen (Bestrahlungsstärke 100 mw cm 2 ; s. Glossar) sind die Leerlaufphotospannung V OC, der Kurzschlussphotostromdichte J C und der Füllfaktor FF. Abbildung 7 zeigt eine tromdichte-pannungs-kurve unter Belichtung. Daraus lässt sich unter Berücksichtigung der Bestrahlungsstärke E nach der im Glossar aufgeführten Gleichung der Wirkungsgrad η berechnen (olarenergie zu tromumwandlung). Welche Werte werden erreicht? In der Tabelle 1 sind einige Daten aufgeführt: J C 18 ma cm 2, V OC 0,75 V, FF 0.75, η 11,2 % (zur Zertifizierung s. [8]). V OC wird in etwa durch die Differenz der Lage des Leitungsbandes des TiO 2 und des Redoxpotenzials von I 3 /3I bestimmt. Für die Lebensdauer einer Zelle mit einem Ru-Komplex als P wurden 10 8 Zyklen berechnet, was einem Gebrauch eines Bauelementes von etwa 20 Jahren entspricht. Das klingt sehr hoffnungsvoll, wenn man berücksichtigt, dass recht preiswerte Materialien eingesetzt werden und die Herstellung Routine werden kann. Daher interessieren sich Firmen für die Vermarktung der Zellen. Dafür sind aber noch erhebliche chwierigkeiten zu überwinden. Zum einen machen die erwähnten leicht flüchtigen Lösungsmittel, welche den Vorteil eines schnellen und damit effizienten Transports von I 3 /I aufweisen, chwierigkeiten, da sie leicht verdampfen. Die Zellen müssen daher verkapselt werden. Mit der Zeit werden diese Verkapselungen häufig brüchig und der Elektrolyt entweicht langsam. Daher wird an quasi-feststoffelektrolyten wie ionischen Flüssigkeiten oder festen Lochleitern gearbeitet [5]. Durch langsameren Ionentransport in diesen Elektrolyten sinken die Wirkungsgrade etwa um 30 bis 40 %. Ein weiteres Problem ist die Vergrößerung der Zellen. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Arbeiten mit den in der Tabelle 1 angegeben Werten beziehen sich auf Zellen mit aktiven Flächen von unter 1 cm 2. Durch die Vergrößerung der aktiven Flächen auf über 100 cm 2 sinken die Wirkungsgrade ebenfalls um 30 bis 40 % [5], liegen aber immer noch über denen der Photosynthese. Die Ursachen für diese Verluste sind vielfältig: Defekte in ubstraten, chichtfehler, Kontaktprobleme, pannungsabfall durch unzureichende Leitfähigkeit der Anode, um die wichtigsten zu nennen. Hier ist also noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten. Abbildung 8 zeigt ein Beispiel einer derartigen olarzelle. Die molekulare Anregung und anschließende schnelle Trennung der Elektronen und Löcher ist mit der Photosynthese vergleichbar. In der Photosynthese liegt durch zweimalige Anregung im PI und PII ein Potenzial von 1,14 V (entsprechend dem Energieinhalt der gebildeten Produkte) vor. In den Farbstoffsensibilisierungs-olarzel- Abb. 8 Am Fraunhofer Institut für olare- Energiesysteme (IE) (Freiburg) gefertigtes Modul von Farbstoff- sensibilisierungs- olarzellen. Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 179

7 ABB. p- UD n-halbleiter 9 A len sind es in der einmaligen Elektronenanregung nur 0,7 0,8 V.Durch einfache Reihenschaltung von Zellen lässt sich aber die pannung beliebig erhöhen. Links: chematische Darstellung der Energielagen in einem dotierten p- und n-leiter. Rechts: p- und n-leiter nach Kontakt und dann unter Belichtung mit Abfließen der Elektronen und Löcher. B Anorganische olarzellen Zum Verständnis der organischen Feststoff-olarzellen wird kurz auf anorganische Photovoltazellen am Beispiel des Halbleiters ilicium eingegangen [3a,9]. Der anorganische Halbleiter ilicium hat die Elektronenkonfiguration 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Im Festkörper des i ergeben 1s-, 2s- und 2p- Orbitale auf das jeweilige Atom lokalisierte Energiezustände. Dagegen bilden die 3s- und 3p-Elektronen als sp 3 -Hybrid tetraedrische Verknüpfungen der i-atome analog einer Diamantstrukur und führen vereinfacht ausgedrückt zu einer energetischen Verschmelzung der Atome zur Ausbildung von Energiebändern (Bändermodell), die den ganzen Festkörper durchziehen und die nicht lokalisiert sind! Analog dem HOMO von Molekülen ist dieses im Grundzustand das mit Elektronen besetzte Valenzband (VB). Ebenfalls analog dem LUMO von Molekülen gibt es ein Energieband, das Leitungsband (LB), was im Grundzustand unbesetzt ist. Der Bandabstand zwischen den Bändern E g beträgt 1,1 ev entsprechend λ =1130 nm, d.h. das bläulich-graue ilicium hat den Vorteil, dass es im breiten Absorptionsbereich vom infraroten bis in den sichtbaren Bereich absorbiert. Allerdings ist der Absorptionskoeffizient nicht sehr groß und nimmt mit zunehmender Wellenlänge stark ab. Dagegen absorbieren die farbigen Verbindungen in der Photosynthese und auch bei den Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen und organischen Feststoff-olarzellen bei bestimmten Wellenlängen. Durch Einstrahlung von Licht der Wellenlänge λ <1130 nm können nun Elektronen vom VB zum LB übergehen und damit z.b. die elektrische Leitfähigkeit von i erhöhen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Energie der Elektronen im Festkörper. In der Lösung eines Redoxpaares ist die Energie der Elektronen durch das elektrochemische Potenzial der pannungsreihe gegeben. Im reinen Festkörper liegt die Energie der Elektronen genannt Fermi-Energie E F genau zwischen VB und LB. Mit dem reinen ilicium lassen sich aber keine olarzellen bauen. Der entscheidende Punkt ist, das ilicium durch Dotierung, d.h. den kovalenten Einbau von Fremdatomen, in einen p- oder einen n-leiter zu überführen, wodurch die Voraussetzung zur Konstruktion einer Photovoltazelle gegeben ist. ilicium ist ein Element der IV. Hauptgruppe. In diesen Halbleiter werden jetzt geringe Mengen eines Elementes der III. Hauptgruppe wie Bor oder der V. Hauptgruppe wie Phosphor eingebaut (Verhältnis i zu Fremdatomen etwa 1:10 8 ). Der Einbau führt zu Fehlstellen. Man spricht hier auch von einer kovalenten Dotierung. Beim dreiwertigen B ergibt sich durch den Elektronenunterschuss quasi eine Oxidation, sogenannte Löcher, und damit ein p-leiter. E F liegt durch die Oxidation nicht mehr in der Mitte zwischen VB und LB, sondern etwas oberhalb des VB. Hingegen kommt es beim fünfwertigen P durch den Elektronenüberschuss quasi zu einer Reduktion und Bildung eines n-leiters mit der Lage von E F etwas unterhalb des LB (Abbildung 9). Als Konsequenz zeigt das dotierte i jeweils eine Erhöhung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit σ von 10 6 auf 10 1 cm 1. σ ist durch die Konzentration der Löcher p und deren Beweglichkeit µ L gegeben (e: elektrische Elementarladung): σ = epµ L. ach Dotierung steigt p von auf cm 3 (µ L bleibt mit 10 3 cm 2 V 1 s 1 nahezu unverändert), und damit erhöht sich σ. Was passiert nun beim Kontakt von dem p- und dem n- dotierten i? Wie in Abbildung 9A angedeutet, wandern die positiven Löcher in das n- und die negativen Elektronen in das p-leitende Gebiet. Das ist quasi eine Redoxreaktion, die so lange geht, bis die energetische ituation auf beiden eiten gleich ist. Als Konsequenz resultiert eine in Abbildung 9B aufgezeichnete Bandverbiegung mit einer Raumladungszone von 10 µm Breite. Was passiert bei Belichtung? Das dunkel gefärbte i absorbiert im sichtbaren Bereich. Unter Belichtung werden Photonen mit einer Energie gleich oder größer der Bandlücke zwischen VB und LB also E g > 1,1 ev (λ < 1130 nm) absorbiert. Elektronen gehen vom VB in das LB, was zur Bildung von Elektronen-Loch-Paaren führt. Besonders die in der Raumladungszone gebildeten Paare, auch Wannier-Mott- Exziton genannt, können schnell getrennt werden. Die Elektronen fließen in dem gut leitfähigen i zu dem für sie niedrigeren Energieniveau d.h. zum n-leiter und die Löcher formal zu dem für sie niedrigeren Energieniveau zum p- Leiter ab. Es resultiert eine Photospannung, wobei der n-leiter zur Kathode und der p-leiter zur Anode wird. chließt man jetzt einen Verbraucher an, resultiert analog zu den Photosensibilisierungszellen (Abbildung 7) ein Photostrom. Die bei einer kristallinen p/n-i-olarzelle erhaltenen Daten im Labor sind z.b. bei einer Bestrahlung unter AM1,5 wie folgt (s. Glossar): Leerlaufphotospannung V OC = 0,703 V, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

8 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE Kurzschlussphotostromdichte J C = 40,6 ma cm 2, Füllfaktor FF = 0,779 und der daraus errechnete Wirkungsgrad η = 22,3 %. In der Praxis liegen die Wirkungsgrade der Photovoltazellen von i bei % (zur Zertifizierung s. [8]). Im Unterschied zu den Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen und der Photosynthese, die mit molekularer Anregung arbeiten, liegen bei den anorganischen Festkörpersolarzellen den ganzen Festkörper durchziehende Energiebänder vor, in denen nach Dotierung unter Belichtung Elektronen und Löcher getrennt werden können. Die Wirkungsgrade der über Jahre beständigen Zellen liegen teilweise erheblich über denen der Photosynthese und auch der Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen. Organische Feststoff-olarzellen Den Weg für die organische Photovoltaik ebnete C.W. Tang mit seinem 1986 erschienen Artikel Two-layer organic photovoltaic cell [10]. Basierend auf dieser Grundlagenarbeit folgten besonders ab dem Jahr 2000 zahlreiche Publikationen, die sich mit organischen Halbleitern für die Photovoltaik beschäftigten [11a 18]. Dabei unterscheiden sich die Arbeiten in der Aufbringung der organischen Moleküle, die entweder durch Aufdampfen kleiner organischer Moleküle oder durch Abscheidung aus Lösungen (zumeist Polymere) erfolgen kann. Die Feststoff-olarzellen haben einen ähnlichen chichtaufbau wie die organischen Leuchtdioden (OLED) [19]. Eingebettet zwischen Ladungstransportschichten befinden sich die aktiven chichten. Bei OLEDs werden Moleküle verwendet, die nach Anlegen einer pannung Licht emittieren können, also phosphoreszierende oder fluoreszierende Verbindungen. chichten effizienter organischer olarzellen enthalten eine Vielzahl von Verbindungen wie Absorber, Donoren, Akzeptoren, Lochleiter, Elektronenleiter wobei eine Verbindung auch verschiedene Funktionen übernehmen kann (Abbildung 10). Durch den sehr unterschiedlichen Festkörperaufbau der organischen im Vergleich zu den anorganischen Materialien ergeben sich recht große Unterschiede in vielen Detailpunkten. Daher ist es notwenig, zunächst den Festkörperaufbau, die Leitfähigkeit, den Effekt der Dotierung und die Bildung von Exzitonen bei organischen Materialien zu beschreiben. Festkörperaufbau und Leitfähigkeit organischer Halbleiter Bei niedermolekularen organischen Halbleitern existieren zwischen den einzelnen Molekülen nur schwache Wechselwirkungen; man spricht von van-der-waals-gebundenen Festkörpern. Beim Zink-Phthalocyanin (ZnPc) z.b. ist die ABB. VERBIDUGE I ORGAICHE FETTOFF-OLARZELLE 10 Lochtransportmaterialien H 3 CO OCH 3 iedermolekularer Donor iedermolekulare p-leiter und Absorber MeOTPD H 3 CO OCH 3 p-pb iedermolekularer Akzeptor F F TT C C F F Zn ZnPc DCV5T C C F 4 TCQ iedermolekularer n-leiter, Elektronentransportmaterial und Absorber iedermolekularer Akzeptor und Absorber * Polymere p-leiter und Absorber * R R O Me C 60 PCBM O P3HT * * n n PCPDTBT Eine Auswahl wichtiger niedermolekularer und polymerer p- und n-leiter, Akzeptoren, Donoren und Transportmaterialien. Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 181

9 ABB. 12 p-leiter Delokalisation der π-elektronen auf das aromatische Molekül beschränkt. Der Abstand zwischen den Molekülen beträgt zwischen 0,34 und 0,38 nm. Dagegen ist der Abstand der kovalent verknüpften i-i im Diamantgitter mit 0,23 nm deutlich kürzer, und die Delokalisation der Elektronen erstreckt sich über den ganzen Festkörper. Der Vergleich der Absorptionsspektren von ZnPc in der Gasphase, in Lösung und im Festkörper zeigt Absorptionen um λ = und nm (Abbildung 11). Im Festkörper bleibt die molekulare Identität weitgehend erhalten, ABB. 11 ABORPTIOPEKTRE Absorbanz 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 chema der Dotierung des Zink-Phthalocyanins mit einem Akzeptor. Filmspektrum Gasspektrum Lösungsspektrum 0, Wellenlänge /nm Absorptionsspektren von Zink-Phthalocyanin in Lösung, als aufgedampfter Film und in der Gasphase (bei 556 C). und die Banden sind durch schwache Wechselwirkungen nur etwas verbreitert. Organische Halbleiter wie Phthalocyanine weisen daher eine schlechte Leitfähigkeit σ von <10 10 cm 1 auf. Die Bänder sind schwach ausgeprägt, wie es in Abbildung 11 gestrichelt angedeutet wird, und die Ladungsträger bewegen sich durch Hüpfen von Molekül zu Molekül ( Hopping -Prozess). Hier ist also ein großer Unterschied zur ausgeprägten Bandstruktur anorganischer Halbleiter. Bei den polymeren organischen Halbleitern wie Polythiophenen ist die ituation vergleichbar [20]. In der Kette des Polymeren liegt eine Wechselwirkung der aromatischen Thiophenringe d.h. eine partielle Delokalisation der π-elektronen vor. Durch Bindungsalternierung in der Kette und häufige Fehlstellen ist der Ladungstransport intramolekular eingeschränkt. Der Ladungstransport zwischen den Ketten geschieht auch durch Hopping der Ladungsträger. Damit sind konjugierte Polymere in unbehandelter Form auch keine guten elektrischen Leiter mit σ von cm 1. Dotierung Erst durch Dotierung kann eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, d.h. ein sehr guter Ladungstransport erreicht werden [11a, 20]. Bei der kovalenten Dotierung anorganischer Halbleiter werden äußerst geringe Mengen der Dotierungsagentien in das Gitter als Fehlstellen eingebaut. Im Gegensatz dazu werden bei der chemischen Dotierung organischer Halbleiter etwa 1 bis 10 Gew.% bei der Herstellung der chichten eingebracht, und es finden Reduktionen und Oxidationen zwischen den vorliegenden Verbindungen statt. Beim p-leiter muss energetisch das LUMO des Akzeptors unterhalb des HOMO vom p-leiter liegen. Dann wird, wie am Beispiel vom p-leiter ZnPc erklärt, ein Elektron auf den Akzeptor F 4 TCQ übertragen (Abbildung 12), und damit werden Löcher in der Matrix des ZnPc generiert. Analog muss im Idealfall das HOMO des Donors möglichst über dem LUMO des n-leiters z.b. C60 liegen. Dann wird ein Elektron z.b. vom Donor auf C60 übertragen und damit werden Elektronen in der Matrix des C60 generiert. Durch die Dotierung des ZnPc mit 1 5 Molprozent F 4 TCQ steigt die spezifische elektrische Leitfähigkeit σ von <10 10 cm 1 linear mit der Dotierkonzentration auf etwa 10 2 cm 1 [11a]. Gleichzeitig verschiebt sich wie bei den anorganischen Halbleitern die Energie der Elektronen im Festkörper, die Fermi-Energie, in Richtung des LUMO. Die Zunahme der Leitfähigkeit nach Dotierung wird durch die Erhöhung der Zahl der Löcher p von auf cm 3 und die Erhöhung der Löcherbeweglichkeit µ L von <10 5 auf cm 2 V 1 s 1 erklärt. Ein Problem bei organischen Halbleitern ist auerstoff aus der Luft, da der p-leiter aus seinem HOMO auch ein Elektron auf den Akzeptor O 2 übertragen kann. Daher müssen organische Festkörper-olarzellen verkapselt werden, was einen achteil für die praktische Verwendung bedeuten kann Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

10 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE Bildung und Diffusion von Exzitonen Werden farbige organische Materialien sichtbarem Licht ausgesetzt, können nur die Anteile elektromagnetischer trahlung genutzt werden, deren Energie mindestens so groß ist wie der energetische Abstand zwischen dem HOMO und dem LUMO. Für die Lichtabsorption in olarzellen sind also Materialien erforderlich, deren energetische Bandlücke und auch Orbitalstruktur gut mit dem onnenspektrum harmonieren. Bei der Lichtabsorption organischer Halbleiter geht wie auch bei den Photosensibilisatoren der Photosynthese oder den Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen ein Elektron vom HOMO in das LUMO unter Bildung des angeregten ingulett-zustandes über. Der langwelligste Übergang von 710 nm beim ZnPc entspricht 1,75 ev. Um bei organischen Halbleitern mehr Licht zu absorbieren, ist es notwendig, Materialien mit unterschiedlichen Absorptionsbereichen zu kombinieren. Dagegen beträgt beim i der Bandabstand Eg = 1,1 ev entsprechend 1130 nm, und i absorbiert vom IR bis in den sichtbaren Bereich. Der Anregungszustand organischer Halbleiter wird als Exziton bezeichnet, ein elektrisch neutrales Quasiteilchen, welches einen gebundenen Zustand von Elektron (im LUMO) und Loch (im HOMO) repräsentiert. ind das Elektron und das Loch in einem Molekül lokalisiert, spricht man von einem Frenkel-Exziton. Zwischen dem Elektron und dem Loch in einem Frenkel-Exziton wirkt eine elektrostatische Kraft, die etwa eine Zehnerpotenz größer ist als beim Wannier-Mott-Exziton anorganischer Halbleiter. Für einen photovoltaischen Effekt ist es notwendig, das Elektron vom Loch zu trennen, d.h. einen Elektronen- oder Lochakzeptor zu erreichen, bevor es relaxiert und die aufgenommene Energie wieder abgibt. Die Raumladungszone, in der die Trennung erfolgt, ist mit 30 nm im Vergleich zu i-olarzellen mit 10 µm klein. Weiterhin ist das Exziton ortsfest, und es kommt zunächst nur ein Transportmechanismus in Betracht: die Diffusion über das Hopping. Dabei hüpft das Exziton von Molekül zu Molekül. Entscheidend ist die Exzitonendiffusionslänge, die von der Exzitonenlebensdauer und -beweglichkeit bestimmt wird. Die Exzitonendiffusionslänge ist material- und morphologieabhängig und z.b. bei Phthalocyaninen etwa 10nm und bei C60 etwa 40 nm. Dieses limitiert die chichtdicken der olarzelle, da an den Grenzflächen zwischen Elektronenakzeptor und Elektronendonor das Elektronen-Loch-Paar des Exzitons getrennt wird. Ist die Grenzfläche weiter entfernt als die Exzitonendiffusionslänge, kann das Exziton ABB. 13 OLARMODULE Anode ubstrat olarzellen chichtstapel Kathode Verschaltung für organische olarzellen zu Modulen. Oben: trukturierte Anodenebene aus ITO (treifen von 1 bis 2 cm Breite und anlagenabhängiger Länge). Mitte: Abscheidung der organischen Materialien strukturiert durch chattenmasken. Unten: Abscheidung der Kathode strukturiert durch chattenmasken erfolgt so, dass sich die Kathode der einen Zelle mit der Anode einer anderen zur Herstellung einer gewünschten pannung überlappen. Exzitonen werden durch Lichtanregung generiert; unter Belichtung wird dann Photoleitfähigkeit gemessen, die sehr effektiv sein kann. o wird dass Titanylphthalocyanin (TiOPc) im starken elektrischen Feld der elektrophotographischen chichten von Laserdruckern heute fast ausschließlich als Photoleiter verwendet [21]. TAB. 2 PHOTOVOLTAICHE DATE ORGAICHER FETTOFF-OLARZELLE UTERCHIEDLICHER ARCHITEKTUR* Zellennr. und Einordnung Zellkonfiguration IPCE J C / V OC /V FF η/% ma cm 2 1: p-n-zelle ITO-PTCDI-ZnPc-Au 30 3,53 0,41 0,30 0,43 2: p-i-n-zelle ZnPc:C60 Einfach (Abb. 14) 6,8 0,49 0,51 1,7 3: p-i-n-zelle DCV5T:C60 Einfach 52 6,66 1,0 0,51 3,4 4: p-i-n/p-i-n-zelle ZnPc:C60-ZnPc:C60 Tandem (Abb.15) 4,6 0,99 0,54 2,3 5: p-i-n/p-i-n transparente Zelle ZnPc:C60-ZnPc:C60 Tandem (Abb.16) 3,5 0,92 0,54 1,8 6: Multilayer mit dotierten chichten Tandem, Materialien unbekannt, zertifiziert, Heliatek 5,6 1,6 0,65 6,1 7: p-i-n-metal cluster-p-i-n CuPc:C60-Ag-CuPc:C60 Tandem 60 9,7 1,05 0,59 5,7 8: Polymer-Aufdampf-Zelle P3HT:PCBM (unten)/znpc:c60 (darüber) Tandem 67 4,8 1,02 0,45 2,3 9: Polymer-Zelle PCPDTBT:PCBM(unten)/P3HT:PCBM (darüber) Tandem 7,8 1,24 0,67 6,5 10: Polymer-Zelle Materialien unbekannt, zertifiziert, Konarka 14,92 0,58 0,61 5,2 Die Werte sind aus [10b] (Zelle 1), [16,17] (Zellen 2 4, 7 9), [8] (Zelle 10) und Pressemitteilung Heliatek (Zelle 6). * Lichtintensität 100 mw cm 2 Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 183

11 nicht mehr zur tromerzeugung genutzt werden. obald das Exziton in Loch und Elektron aufgetrennt wurde, müssen die Ladungen weitertransportiert werden. Der Ladungstransport erfolgt durch das elektrische Feld, welches ausgebildet wird, sobald der äußere tromkreis geschlossen wird. Allgemeiner Aufbau der Zellen Voraussetzung für den Ladungstransport ist die Wahl geeigneter Elektrodenmaterialien hinsichtlich ihrer Elektronenaustrittsarbeiten eφ. Weiterhin muss zumindest eine Elektrode transparent sein. Für die Anode wird häufig transparentes ITO (s. Glossar) verwendet, dessen eφ bei ungefähr 4,7 ev liegt. Als Kathodenmaterial wurden aufgrund ihrer niedrigen Austrittsarbeit häufig die Luft- und Wasserempfindlichen Metalle Magnesium oder Calcium genutzt. Durch Dotierungen von Transportschichten ist auch die Verwendung von Aluminium (eφ = 4,2 ev) oder ilber möglich. Typisch ist ITO auf einem Glasträger. Mit ITO auf lichtstabilisiertem Polyethylenterephthalat (PET) lassen sich auch flexible olarzellen herstellen. Auf dem ITO erfolgt die Abscheidung der organischen Materialien. Abgeschlossen wird die Zelle durch das Abscheiden des Kathodenmetalls. Damit ergibt sich die generelle Zellkonfiguration: ITOorganische Materialien-Metall. Abbildung 13 zeigt, wie einzelne Zellen zu Modulen verschaltet werden können. Zellen mit niedermolekularen und auch polymeren Materialien bedienen sich eines sogenannten Hetero-Übergangs und werden im internationalen prachgebrauch daher häufig auch als Hetero-Junction Cells bezeichnet. Während die kleinen Moleküle schichtweise abgeschieden werden, bestehen Polymerzellen häufig aus interpenetrierenden etzwerken eines p- und eines n-halbleiters. Bei diesen Zellen wird häufig von Bulk-Hetero-Junction Cells gesprochen, da es hier einen p/n-übergang im Volumen gibt. Im Folgenden werden nun beide Varianten behandelt und aktuelle Materialien und Entwicklungen vorgestellt. olarzellen aus niedermolekularen organischen Halbleitern Wird von organischen olarzellen auf Basis kleiner Moleküle (mall Molecules, M) gesprochen, sind damit im Vakuum verdampfbare Materialien gemeint [11a 15]. Die ABB. 14 UD 15 p-i-n-zelle (links) Aufbau (A) und Energieschema (B) einer p-i-n-zelle (Zelle 2 in Tab. 2). Für die Anode und Kathode sind die Elektronenaustrittsarbeiten eϕ und für die organischen chichten die HOMO/LUMO-Energien aufgeführt. Die Dotierung führt nicht zu einer Veränderung der Energiewerte, wohl aber zur Zunahme der Ladungsträgerkonzentration. Wird nun ein Photon im ZnPc absorbiert, bildet sich ein Exziton, welches zur Grenzfläche ZnPc:C 60 diffundieren muss, damit das Elektron-Loch-Paar getrennt wird. Das Elektron gibt dann Energie ab, da es vom LUMO des ZnPc in das LUMO des C 60 übergeht und von dort weiter zur Kathode wandert. Das auf dem ZnPc zurückbleibende Loch wird von einem Elektron aus dem HOMO der Löchertransportschicht neutralisiert. Die positive Ladung wird dann durch ein Elektron aus der Anode ausgeglichen. (rechts) Aufbau (A) und Energieschema (B) einer p-i-n-tandem-zelle (Zelle 4 in Tab.2). (zur Beschreibung des Energieschemas siehe Abb. 14) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

12 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE Herstellung der olarzellen erfolgt durch Aufdampfen auf ITO im Vakuum ( mbar) bei Temperaturen je nach organischem Material von o C und Aufdampfgeschwindigkeiten von 0,01 5 nm s 1. Typische Aufdampfanlagen enthalten mehrere Tiegelquellen zum Aufdampfen der verschiedenen organischen Materialien auf das vorstrukturierte ITO ubstrat. Die trukturierung der organischen chichten und der Kathode erfolgt durch chattenmasken. Die Reinheit der organischen Materialien ist aus mehrfachen Gründen wichtig. Verunreinigungen können Ladungen einfangen (Traps), Exzitonen deaktivieren, die Morphologie beeinflussen und zur Degradation des Bauelementes beitragen. Durch mehrfache Zonensublimation können Verunreinigungen zuverlässig abgetrennt werden. Heutige ublimatoren können durchaus 100 g Rohmaterial reinigen. Die Morphologie der chichten lässt sich durch Aufdampfgeschwindigkeit und ubstrattemperatur beeinflussen. Bei niedrigen Aufdampfgeschwindigkeiten zeigen die chichten eher kristallines Verhalten. Auch höhere ubstrattemperaturen führen zu mehr kristallinen trukturen. Diese sind für olarzellen zu bevorzugen, da im Vergleich zu amorphen Morphologien die Ladungsträgerbeweglichkeiten und die Exzitonendiffusionslängen größer sind. Der Aufbau organischer olarzellen aus Aufdampfschichten hat sich seit den 90er Jahren besonders durch die Möglichkeit der Dotierung stark verändert und die Wirkungsgrade konnten entscheidend verbessert werden. Zusätzlich besteht bei der Verwendung der Aufdampftechnik die Möglichkeit einer monolithischen In-situ-Verschaltung einzelner Zellen, was die direkte Fertigung von Modulen auf einem ubstrat ohne spätere Verschaltung ermöglicht (Abbildung 13). Im Folgenden werden die unterschiedlichen Zelltypen und -architekturen beschrieben und der gegenwärtige tand der Technik zusammengefasst. p-n-zellen Zunächst wurden einfache p-n-zellen z.b. der Konfiguration ITO/n-Leiter/p-Leiter-Metall mit Perylentetracarbonsäurediimid (PTCDI) als n-leiter und ZnPc als p-leiter (Filmdicken nm) mit Wirkungsgraden von 0,5 % beschrieben (Zelle 1, Tabelle 2, [10b]). U.a. schränken die kleinen Exzitonendiffusionslängen von 10 nm den Wirkungsgrad ein. Bei geringen Filmdicken von 10 nm zeigten diese Zellen aber bereits IPCE-Werte von über 70 %, die das Potenzial organischer Halbleiter in olarzellen andeuten. Allerdings war dann die Lichtabsorption gering. Bei diesen Zellen wurde kein Dotand zugesetzt. Der Akzeptor O 2 aus der Luft dotierte das ZnPc. Mit Mischschichten von ZnPc als p-leiter und C60 als n-leiter konnten η 1% erreicht werden. p-i-n-zellen ind die Morphologie, die chichtdicken und p/n-massenverhältnisse optimiert, bleiben als weitere Ansatzpunkte die Elektrodengrenzen, die optische Optimierung und die elektrische Balance des Gesamtbauelements. Zur Optimierung der Grenzflächen werden zusätzliche chichten eingeführt. Auf der eite des p-halbleiters muss eine chicht zwischen der Anode und dem p-halbleiter eingefügt werden, die zum einen besonders gut die Löcher transportiert und einen guten Kontakt zur Anode sowie zum p-halbleiter herstellt eine Löchertransportschicht (Hole Transport Layer, HTL, z.b. tert. Amine wie MeOTPD oder PB, die mit F 4 TCQ dotiert werden kann; Abbildung 10). Analog dazu wird auf der n-eite eine Elektronentransportschicht (ETL, z.b. C60) verwendet, die mit einem Donor, z.b. Pyronin B [11a] dotiert werden kann. Diese chichten dienen zum verbesserten Transport bzw. Abfluss der Ladungsträger, optimieren den Kontakt zu den Elektroden und können in ihrer Dicke, bei ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit, so optimiert werden, dass immer genauso viele Elektronen wie Löcher die Elektroden erreichen und das Bauelement somit elektrisch im Gleichgewicht ist. Zusätzlich können die chichten dazu dienen, das eingestrahlte Licht optimal zu nutzen, da es aufgrund des Gesamtbauelementes zahlreiche optische Übergänge gibt, welche die Lichteinkopplung und Reflexion an der Kathode beeinflussen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit der HTL und ETL werden die chichten dotiert. Manche ubstanzen, die in Abbildung 10 beispielhaft aufgeführt sind, können je nach Zellaufbau verschiedene Funktionen übernehmen. Bei konsequenter Anwendung der Dotierung ist das Resultat eine p-i-n-zelle, bestehend auf ITO aus einer p- dotiertern Lochleiterschicht, dann einer intrinsischen Absorberschicht mit ein oder zwei Absorbern und einer n- dotierten Elektronenleiterschicht. In Abbildung 14A ist der Aufbau einer Zelle mit ZnPc und C60 schematisch dargestellt. Das Energieschema (14B) verdeutlicht die Bildung des Exzitons, seine Tennung und die Wege von Elektron und Loch. ZnPc (λ 670, 620 nm) und auch C60 (λ 570, 420 nm) sind zum einen Absorber, sie wirken aber auch als p- bzw. n-leiter. Der Wirkungsgrad einer derartigen Zelle liegt bei η = 1,7 % (Zelle 2, Tabelle 2). Eine Zelle mit Transmission /% Wellenlänge /nm Abb. 16 Transparente Tandem- olarzelle basierend auf ZnPc:C60 in einer Tandemp-i-n-truktur (Zelle 5 in Tab. 2). Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 185

13 dem p-leiter DCV5T und den n-leiter, Akzeptor C60 bringt es sogar auf η = 3,4 % (Zelle 3). IPCE Werte (siehe bei Photosensibilisierungszellen) sind bei 50 %. Gestapelte p-i-n-zellen Um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, wurde das Konzept der Mehrfachzelle entwickelt. Wie beschrieben, ist die chichtdicke der Absorberschicht von der Exzitonendiffusionslänge begrenzt. Damit ist die Absorberschicht auf <60 nm Dicke limitiert, was selbst bei den hohen Extinktionskoeffizienten der Phthalocyanine nicht ausreicht, das gesamte nutzbare Licht zu absorbieren. Um dieses Licht nicht ungenutzt zu lassen, ist es sinnvoll, eine zweite oder sogar noch mehr Zellen auf der ersten aufzubauen. Die ersten Arbeiten zu diesem Thema nutzten noch eine transparente Metallschicht oder Metallcluster als Interlayer zwischen der n-eite der ersten und p-eite der zweiten Zelle; inzwischen verzichtet man auf eine zusätzliche Zwischenschicht. eben der Möglichkeit, mehr Licht zu absorbieren, ist ein weiterer Vorteil der Konfiguration p-i-n/p-i-n die pannungserhöhung durch die Reihenschaltung der beiden Zellen: V Tandem =V Zelle1 + V Zelle2. Im Falle von ZnPc:C60 Zellen (Abbildung 15) steigt V OC von 0,5 V auf 1 V und η von 1,7 auf 2,3 % (Vergleich der Einzelzelle 2 mit der Tandemzelle 4 in Tabelle 2). Abbildung 16 zeigt als neuere Entwicklung mit analogen Materialien die Transmission einer transparenten Tandemzelle (Zelle 5 in Tabelle 2). Derartige Zellen sind, wenn höhere Wirkungsgrade erreicht werden, für die Belegung von Fensterscheiben interessant. Kürzlich wurde eine komplex aufgebaute Tandemzelle mit erhöhter V OC und η = 6,1 % der Firma Heliatek GmbH zertifiziert (Zelle 6 in Tabelle 2). eben olarzellen, die dem p-i-n-konzept folgen, gibt es auch andere Zellarchitekturen, die effiziente Zellen ermöglichen und ohne molekulare Dotierung mit CuPc und C60 unter Einbau von Ag-ano- Clustern auskommen. Dazu wurde eine Tandemzelle mit einem Wirkungsgrad von η = 5,7 % basierend auf zwei in erie geschalteten CuPc:C60-Zellen entwickelt. Dadurch erhöht sich der Photostrom (Zelle 7 in Tabelle 2). olarzellen aus polymeren organischen Halbleitern Die physikalischen Grundlagen und das Wirkprinzip polymerer olarzellen [12, 15 18] sind mit denen niedermolekularer olarzellen vergleichbar. Die Verarbeitung und Herstellung der in einem Lösungsmittel gelösten ubstanz ist jedoch eine andere. Als Abscheideverfahren bietet sich pin- Coating (Tropfen einer Lösung auf ein rotierendes ubstrat) an. Diese Technologie ist auf Flächen bis ca. 30 cm ubstratdurchmesser begrenzt. Vielversprechender sind unterschiedliche Druckverfahren, welche eine kostengünstige und großvolumige Produktion ermöglichen können. Die Abscheidung muss allerdings unter inerten Bedingungen erfolgen, da auch diese Materialien zum Teil empfindlich gegenüber Wasser und auerstoff sind. Komplexere chicht- ABB. POLYMERE p/n-zelle 17 Typischer Aufbau einer polymeren p/n-zelle (Bulk-Hetero-Junction Zelle). Zur Glättung des ubstrates und zur Verbesserung der Ladungsträgerinjektion wird häufig PEDOT:P (Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonsäure) eingesetzt. Je nach Formulierung kann eine Leitfähigkeit von bis zu 10 cm 1 bei guter Transparenz im sichtbaren Wellenlängenbereich erreicht werden Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

14 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE GLOAR AM (englisch Airmass): Das pektrum und die Intensität der olarstrahlung ist abhängig von der Weglänge des Lichts durch die Atmosphäre. AM0 ist definiert als das pektrum außerhalb der Atmosphäre (extraterrestrisches pektrum) im Weltraum, AM1 ist das pektrum der senkrecht auf die Erdoberfläche fallenden onnenstrahlen, d. h. die onne muss dafür genau im Zenit stehen und für AM1,5 ist der Zenitwinkel. 48,2. Bei AM1,5 beträgt die globale trahlungsleistung 1000 W m 2 (100 mw cm 2 ). AM = 1,5 wird als tandardwert für die Vermessung von olarmodulen verwendet. Man kann AM1,5 mit künstlichen Lichtquellen unter Verwendung von Filtern simulieren (olarsimulatoren). Elektrische Leitfähigkeit σ: Angegeben wird σ in cm 1, die ein Körper mit 1 cm Länge d und 1 cm 2 Querschnittsfläche F besitzt (R = elektrischer Widerstand: σ = d/fxr). Isolatoren haben σ von <10 10, Halbleiter σ von bis 10 1 und Metalle σ von >10 1 cm 1. Exziton: Ein Exziton ist ein gebundener Zustand von Elektron und Loch in einem Halbleiter. Es ist somit eine elementare Anregung des Festkörpers. Ein Exziton kann sich durch den Kristall bewegen und transportiert dabei seine Anregungsenergie durch diesen hindurch. Ein Exziton kann z.b. entstehen, wenn ein Photon in einen Halbleiter eindringt und ein Elektron zum Übergang aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt. Das Elektron und das im Valenzband entstandene, entgegengesetzt geladene Loch ziehen sich durch die Coulomb-Kraft gegenseitig an. Ein Frenkel-Exziton beschreibt die ituation bei der Elektron und Loch an einem Gitterplatz lokalisiert sind. Das wird beobachtet, wenn das Material, in dem es angeregt wurde, eine hohe Exzitonen- Bindungsenergie aufweist. Insbesondere die rein thermische Anregung reicht dann bei Raumtemperatur nicht mehr aus, um Elektron und Loch voneinander zu trennen. Fermi-iveau: Es ist im Bändermodell von Festkörpern das zur Fermi-Energie E F gehörende Energieniveau. Am absoluten ullpunkt sind alle darunter liegende Zustände vollständig besetzt, alle darüber liegenden leer. Mit zunehmender Temperatur und unter Belichtung erfolgt eine Population von den besetzten in unbesetzte Zustände. Heteroübergang: Als Heteroübergang bezeichnet man die Grenzschicht zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien. Anders als bei einem p-n-übergang ist hier nicht nur die Dotierung, sondern die Materialart verschieden, z.b. Heteroübergänge bei III-V-Halbleitern oder bei zwei verschiedenen organischen Halbleitern. Ein Homoübergang bezieht sich auf die Grenzschicht zweier gleicher Materialien, z.b. p- und n-dotiertes ilicium. ITO: Abkürzung für Indium dotiertes no 2. In FTO ist zur Erhöhung der Leitfähigkeit no 2 mit Fluor dotiert. ITO und FTO sind elektrisch leitfähige, im sichtbaren Bereich transparente Materialien mit einem Widerstand von etwa 10 Ω cm 2. Die Materialien werden auf Trägern wie Glas oder flexiblen Polymeren im großen Umfang als leitfähige ubstrate in LCD- Anzeigen eingesetzt. IPCE (incident photon-to-current conversion efficiency): Diese Werte werden durch Aufnahme von Photostrom-Aktions-pektren erhalten. IPCE ist definiert durch die Zahl der Elektronen, die zur Gegenelektrode fließen, dividiert durch die Zahl der eingestrahlten Photonen bestimmter Wellenlänge. Der Wert kann bei einer bestimmten Wellenlänge theoretisch 100 % betragen. Praktisch liegen die Werte wegen Reflexions- und Absorptionsverlusten durch ITO-ubstrate maximal bei %. Loch: Bei Halbleitern werden bewegliche positive Ladungsträger vereinfacht Löcher genannt. Dabei handelt es sich um ein fehlendes Elektron und es wird daher auch als Defektelektron oder Elektronenfehlstelle bezeichnet. Der Ladungstransport erfolgt auch hier durch Elektronen. Photosensibilisator (auch ensibilisator genannt): Eine Verbindung, bei der durch Absorption eines Photons eine photochemische oder -physikalische Veränderung eintritt. Der Photosensibilisator wird bei dem Vorgang nicht verbraucht, sondern steht wieder zur Verfügung. Der Prozess wird auch Photosensibilisierung (ensibilisierung) genannt. Photovoltaische Parameter zur Berechnung des Wirkungsgrades: Zur Charakterisierung organischer olarzellen werden trom-pannungs- Kennlinien unter Beleuchtung und im Dunkeln aufgenommen. Als Ergebnis erhält man Kurven, wie sie in der Abbildung dargestellt sind. Aus der Hellkennlinie lassen sich direkt der Kurzschlussstrom J C und die Leerlaufspannung V OC ablesen. Die maximale Leistung, die eine olarzelle liefern kann, ist durch das größte Rechteck gegeben, welches sich in die trom-pannungs-kennlinie einpassen lässt. An dem Punkt, an dem die rechte untere Ecke die Hellkennlinie berührt, befindet sich der MPP, der Maximum Power Point. Die dazugehörige tromdichte wird mit J m und die dazugehörige pannung mit V m bezeichnet. Der Füllfaktor FF ist ein Maß dafür, wie gut sich das Rechteck der Kennlinie anpasst. Bei iliciumzellen liegt der FF bei über 0,8, bei leistungsfähigen organischen olarzellen oberhalb von 0,5. V m J mo FF = V OC J C Der Wirkungsgrad η einer olarzelle kann über die folgende Gleichung berechnet werden, wenn die Bestrahlungsstärke E (typisch: 100 mw/cm 2, AM1.5) bekannt ist: V m J ml V OC J C FF η = = (V OC in V, J C in ma cm 2, E in mw cm 2 ) E E Die maximale Leerlaufspannung einer organischen olarzelle wird vom Abstand der Fermi-Energien des HOMOs des Akzeptors (z.b. ZnPc) und dem LUMO des Donors (z.b. C60) begrenzt. 2 ] tromdichte J [A/cm Dunkelkennlinie Hellkennlinie J m 0 pannung [V] J C V m ingulett-zustand: Im ingulett-grundzustand befinden sich zwei gepaarte Elektronen im HOMO (höchstes und energiereichstes besetztes Molekülorbital). Durch Absorption eines Photons, das energetisch der Differenz zwischen HOMO und LUMO (niedrigstes und energieärmstes unbesetztes Molekülorbital) entspricht, geht ein Elektron unter pinerhaltung in das LUMO über. Zertifizierung: In der Fachliteratur zur Photovoltaik werden viele Daten veröffentlicht, die schwer nachzuvollziehen sind. Aus diesem Grund gibt es unabhängige Zertifizierungslaboratorien wie das Fraunhofer IE oder REL (ational Renewable Energy Laboratory). Hier werden Zellen und Module unter tandarbedingungen charakterisiert und die Zellflächen genau vermessen [8]. VOC Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 187

15 Die Funktion von und weitere Informationen zu organischen olarzellen kann im Internet unter fraunhofer.de/de/ oms/opv.shtml nachvollzogen werden. stapel nur aus Lösung sind schwer herzustellen, da beim Aufbringen einer neuen Lösung sich schon vorhandene chichten teilweise anlösen können. Dennoch gibt es auch hier Tandemzellkonzepte. Auch bei den polymeren olarzellen wird ein Elektronenakzeptor- und ein Elektronendonor-Material benötigt. Als Donor bzw. p-leiter kommt häufig regio-reguläres Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) zum Einsatz. Als Akzeptormaterialien bzw. n-leiter werden fast ausschließlich lösliche Fullerenderivate wie PCBM verwendet (Abbildung 10). Beide Materialien sind auch Absorber, d.h. sie haben vielfältige Funktionen. In Abbildung 17 ist der typische Zellaufbau einer p/n- Zelle dargestellt. Auf einem ubstrat mit transparenter Anode, zumeist ITO, ist häufig eine chicht PEDOT:P zur Glättung und zur elektrischen Anpassung der Anode aufgebracht. Darauf wird das aktive Material appliziert, auf welchem die Kathode aufgedampft wird. Tabelle 2 gibt die Kenndaten einer Zelle an, bei der zunächst P3HT:PCBM aus Lösung aufgebracht und dann ZnPc:C60 aufgedampft wurde, was zu einem Wirkungsgrad von η = 2,3 % führte (Zelle 8). Zelle 9 ist eine vollkommen aus Lösung hergestellte Tandemzelle mit η = 6,5 %. Eine der leistungsfähigsten zertifizierten Polymerzellen stammt von der Firma Konarka und hat einen Wirkungsgrad von η = 5,2 % auf einer Fläche von <1 cm 2 und besteht aus einem PCPDTBT-Derivat und PCBM (Zelle 10). Zwischenzeitlich konnte eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von η = 6,4 % zertifiziert werden (Pressemitteilung Konarka, ) [8]. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades besteht bei Polymer-olarzellen die Möglichkeit der Optimierung des Volumen-Heteroübergangs (Bulk-Hetero-Junction, BHJ) durch Kontrolle der Morphologie, die Änderung der Zellarchitektur und natürlich eine Verbesserung der Materialien. Auch die Verbesserung der Lichtausnutzung bzw. Lichteinkopplung ist durch zusätzliche chichten, beispielsweise TiO 2 - Interlayer, möglich. Weitere Entwicklungen und Probleme bei organischen olarzellen Organische olarzellen übertreffen in ihrem Wirkungsgrad die Photosynthese, liegen aber noch unter dem der anorganischen olarzellen. Von der Industrie erreichte Wirkungsgrade von Zellen aus kristallinem i liegen bei knapp 20 % (preiswertere Zellen aus multikristallinem i 18 % und aus amorphem i 9 %). Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen mit aktiven Flächen von unter 1 cm 2 haben zertifizierte Werte von 11 % [5 7,8]. Firmen wie Dysol in Australien, Konarka in den UA, olarprint in Irland, G24i in UK und Toyota und ony in Japan arbeiten an der Markteinführung dieser Zellen. Bei organischen Feststoff-olarzellen wurde im April 2010 von der Firma Heliatek in Kooperation mit dem Institut für Angewandte Photophysik der TU Dresden eine 1,1 cm 2 Tandemzelle mit η = 7,7 % zertifiziert. Im Dezember 2009 berichtete die Firma olarmer aus den UA über eine flexible Feststoffzelle mit einem Wirkungsgrad von 7,9 %, die allerdings nur eine aktive Fläche von < 0,1 cm 2 aufweist. Zur endgültigen Kommerzialisierung werden u.a. noch Großvolumen-taugliche Fertigungstechnologien benötigt, wie sie gegenwärtig am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPM) in Dresden für aufdampfbare ysteme bei den Feststoffzellen entwickelt werden. Welche Vorteile neben erwarteten niedrigen Wattpreisen könnten organische olarzellen bieten? Das geringere Gewicht von Modulen ist insbesondere für Außen-Anwendungen wichtig: organische olarzellen auf flexiblen ubstraten von 500 g/m 2 im Vergleich zu 20 kg/m 2 bei anorganischen olarzellen. Organische olarzellen wie Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen zeigen auch bei niedriger Lichtintensität im Vergleich zu den anorganischen olarzellen nur einen geringen Abfall des Wirkungsgrades, was den Einsatz bei wolkigem Himmel, geringer olareinstrahlung im Winter und Innen-Anwendungen attraktiv macht. Wo gibt es Probleme? Organische olarzellen sind empfindlich gegenüber Wasser und auerstoff. eben einer dauerstabilen Verkapselung insbesondere ein Problem bei den Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen ist natürlich auch die Lichtstabilität besonders gegen UV-Licht wichtig. Beschleunigte Alterungstests unter simulierter onnenstrahlung geben aber Anlass zur Hoffnung, dass die Bauelemente viele Jahre zuverlässig arbeiten können [22]. owohl die Firma Konarka mit polymeren olarzellen (Power Plastic ) als auch die Firma G24i mit Photosensibilisierungszellen haben als Markteintritt für ihre Produkte zunächst flexible, leichte Module für mobile Anwendungen gewählt. Künftig werden weitere ischen bedient werden, wie transparente, farblich abgestimmte und flexible Module für Innen- sowie für pezialanwendungen. Mit steigender Effizienz und Lebensdauer werden nach und nach auch Dach- und Fassadenintegration mit farblichen und strukturellen Gestaltungsmöglichkeiten dazukommen. eben den Anwendungsanforderungen und ästhetischen Aspekten ist ein Faktor von besonderer Bedeutung: Wie entwickeln sich die Kosten im Vergleich zu anderen Techniken? Die Antwort auf diese Frage hängt von vielen Faktoren ab. Von Vorteil ist, dass die organischen olarzellen kostengünstig und mit geringem Material- und Energieaufwand bei geringen Prozesstemperaturen auf preiswerten Trägern wie Glas oder Kunststoff-Folie hergestellt werden können. Zusammenfassung Photovoltaischen olarzellen kommt bei der zunehmenden utzung erneuerbarer Energien durch das hohe Angebot an solarer Einstrahlung besondere Bedeutung zu. Daher wird neben den bewährten anorganischen olarzellen auch an der Entwicklung von preiswerteren olarzellen gearbeitet, die organische Materialien als aktive Verbindungen für die Energieumwandlung verwenden. Der Artikel beschreibt Aufbau und Funktionsweise von Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen und organischen Feststoff-olarzellen. Für Vergleiche und zum Verständnis dieser Zellen ist es notwendig, auch Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2010, 44,

16 ORGAICHE OLARZELLE EERGIE einige Aspekte der Photosynthese und der anorganischen olarzellen kurz zu behandeln. Damit wird insgesamt ein Einblick in solare Energieumwandlungssysteme unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen gegeben. ummary Photovoltaic solar cells are of increasing importance in the use of regenerative energies due to the high supply of solar radiation. Therefore beside the established inorganic solar cells more low costs solar cells are developed which contain organic materials as active compounds for energy conversion. The article describes construction and function of dye-sensitized solar cells and organic solid state solar cells. For comparison and understanding of these cells it is necessary to mention also some aspects of photosynthesis and inorganic solar cells. Altogether an insight in solar energy conversion systems under consideration of current developments is presented. chlagworte Anorganische olarzellen, organische Feststoffsolarzellen, Farbstoffsensibilisierungs-olarzellen, Photosynthese, olarzellen. Literatur [1] a) G. chorsch, achrichten aus Chemie 2009, 57, b) zur Marktentwicklung bei photovoltaischen Zellen bis 2013: European Photovoltaic Industry Association, Global market outlook for photovoltaic till 2013, [2] D.-P. Häder, Photosynthese, Thieme, tuttgart, [3] a) D. Wöhrle, M. W. Tausch und W.-D. tohrer, Photochemie, Wiley-VCH, Weinheim, b) J. Kurreck, D. iethammer und H. Kurreck, Chem. unserer Zeit 1999, 33, c) R. Harrer, Chem. unserer Zeit 2003, 37, [4] B. O Regan und M. Grätzel, ature 1991, 353, [5] F.-T. Kong,.-Y. Dai und K.-J. Wang, Advances in OptoElectronics 2007, Article ID 75384, [6]. Ito, M. K. azeeruddin und M. Grätzel, Thin olid Films 2008, 516, [7] Y. Ooyama und Y. Harima, Eur. J. Org. Chem. 2009, [8] Alle 6 Monate wird über durch Testzentren zertifizierte Photovoltazellen und Module berichtet z.b. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa und W. Warta, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2009, 17, [9] P. Würfel, Physik der olarzellen. pektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg, [10] a) C. W. Tang, Appl. Phys. Lett., 1986, 48, b) D. Wöhrle et al., J. Mater. Chem. 1995, 5, [11] a) K. Walzer, B. Maennig, M. Pfeiffer und K. Leo, Chem. Rev. 2007, 107, b) P. I. Djurovich, E. I. Mayo,. R. Forrest und M. E. Thompson, Org. Electr. 2009, 10, [12] Christoph Brabec: Organic photovoltaics materials, device physics, and manufacturing technologies. Wiley-VCH, Weinheim, [13] A. Hadipour, B. de Boer, P. W. M. Blom, Adv. Funt. Mater. 2008, 18, [14] M. Riede, T. Müller, W. Tress, R. chueppel, K. Leo, aotechnology 2008, 19, [15] J. C. Bernede, J. Chil. Chem. oc. 2008, 53, [16] T. Kietzke, Advances in OptoElectronics 2007, Article ID 40285, 15 eiten. [17] G. Dennler, M. C. charber, C. J. Brabec, Adv. Mater. 2009, 21, [18] B. C. Thompson, J. M. C. Frechet, Angew. Chem. 2008, 120, [19] D. Hertel, C. D. Müller und K. Meerholz, Chem. Unserer Zeit 2005, 39, [20] M. Rehahn, Chem. Unserer Zeit 2003, 37, K. Menke und. Roth, Chem. Unserer Zeit 1986, 20, [21] K.-Y. Law, Chem. Rev. 1993, 93, [22] M. Grätzel, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2004, 164, G.chwartz, B. Maennig, C. Uhrich, W. Gnehr,. onntag, O. Erfurth, E. Wollrab, K. Walzer und M. Pfeiffer, PIE 2009, Proceedings. Die Autoren Dieter Wöhrle, geb in Berlin, studierte Chemie an der Freien Universität Berlin und promovierte am Fritz-Haber-Institut der MPG bei Prof. Manecke. ach einer Assistenzprofessor an der FU Berlin erfolgte 1975 ein Ruf auf eine C4-Professur an die Universität Bremen. eine Forschungsinteressen liegen auf dem Gebiet der ynthese und Eigenschaften niedermolekularer und makromolekularer Metallkomplexe und Farbstoffe. eit längerer Zeit engagiert er sich auch gegen den Missbrauch der Chemie durch chemische Waffen. Olaf R. Hild, geb in Bremerhaven, studierte Chemie an der Universität Bremen. Von 1998 bis 2004 war er in der Arbeitsgruppe von Prof. Wöhrle tätig, wo er über die Elektropolymerisation von Phthalocyaninen und Porphyrinen promovierte trat er in der Fraunhofer Gesellschaft am Institut für Photonische Mikrosysteme (IPM) in Dresden im Bereich organische Materialien und ysteme (OM) eine tellung an. Dort leitet er seit 2008 die Arbeitsgruppe Prozesstechnologie und Integration (PTI). Korrespondenzadressen: Prof. Dr. D. Wöhrle Fachbereich 2 (Biologie, Chemie), Universität Bremen Postfach , D Bremen woehrle@uni-bremen.de Dr. Olaf R. Hild Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IPM) Maria-Reiche-trasse 2, D Dresden olaf.hild@ipms.fraunhofer.de Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 189