Simulation hilft effiziente organische Solarzellen zu entwickeln

Erlangen, 20.12.2022 - Druckbare organische Solarzellen bestehen aus dünnen Folien und gelten als potenziell günstiger und vielseitiger als herkömmliche Solarzellen. Allerdings weisen sie bislang noch eine geringere Leistung und kürzere Lebensdauer als herkömmliche Solarzellen auf. Forschende des HI ERN haben nun in Computersimulationen einen neuen Ansatz entwickelt, um das zu ändern. Dabei berücksichtigen sie den Zusammenhang zwischen Solarzellenfertigung und entstehender Struktur. So lassen sich schon vorab Vorgaben für die Tintenformulierung und die Verarbeitungsbedingungen ermitteln, um die Leistung der Zelle zu optimieren.

Wissenschaftliches Ergebnis

Die HI ERN-Wissenschaftler Dr. Olivier Ronsin and Prof. Jens Harting haben in ihrer Arbeit die Beziehung zwischen Herstellungsprozessen und den so entstehenden Strukturen genauer analysiert. Dabei wurde erstmalig das Zusammenspiel aller relevanten physikalischen Prozesse zur Herstellung organischer Solarzellen in einem zusammenhängenden Rahmen theoretisch untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen, die kürzlich im Journal ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht wurden, stimmen mit experimentellen Ergebnissen überein. Damit ist der Grundstein gelegt, physikalische Designregeln für die Tintenformulierung und Verarbeitungsbedingungen zu ermitteln, um die Leistung der Zelle zukünftig zu optimieren. Der Ansatz kann in Zukunft auf neuere organische Materialsysteme angewendet werden.

Simulation hilft effiziente organische Solarzellen zu entwickeln
Organische Solarzellen bestehen aus dünnen Folien, sind biegsam und bei Bedarf durchscheinend oder sogar völlig transparent, was ein breites Einsatzspektrum in urbanen Räumen ermöglicht – bis hin zur Nutzung von Fensterflächen.
Solar factory of the future

Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz

Nicht erst seit der Energiekrise ist die Weiterentwicklung organischer Solarzellen ein großes Forschungsthema. Organische Solarzellen bestehen aus dünnen Folien und gelten als potenziell günstiger und vielseitiger als herkömmliche Solarzellen. Allerdings weisen diese bislang noch eine geringere Leistung und eine kürzere Lebensdauer als herkömmliche Solarzellen auf. Die beiden HI ERN-Forscher haben nun erstmals realistische Simulationen echter organischer Solarzellen durchführen können. Dieser neue Ansatz ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung kostengünstigerer und leistungsfähigerer organischer Solarzellen. Er kann zukünftig sowohl auf neuere organische Materialsysteme als auch auf Perowskit-Solarzellen angewendet werden, um die Leistung der gedruckten Solarzellen weiter zu optimieren.

Weitere Informationen

Bei organischen Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus mindestens zwei Materialien. Die Leistung ist stark abhängig von der sogenannten Bulk-Hetero-Junction (BHJ)-Morphologie, in der sich die Materialien beim Trocknen der nass abgeschiedenen Lösung anordnen. Die Beziehung zwischen Prozess und Struktur ist jedoch noch unzureichend verstanden, sodass wissenschaftliche Fortschritte per „Trial and Error“ bislang sehr viel Zeit erforderten.

In dieser Arbeit wird ein kürzlich entwickeltes, sogenanntes gekoppeltes Phasenfeld-Fluidmechanik-Rahmenwerk verwendet, um den Trocknungsvorgang zu simulieren. Damit ist es erstmals möglich, das Zusammenspiel aller relevanten physikalischen Prozesse wie Verdunstung, Kristallkeimbildung und -wachstum sowie Flüssigkeitsentmischung in einem einzigen kohärenten theoretischen Rahmen zu untersuchen. Der erwartete Nutzen eines solchen Ansatzes besteht darin, physikalische Designregeln für die Tintenformulierung und die Verarbeitungsbedingungen zu ermitteln, um die Leistung der Zelle zu optimieren. Er könnte in Zukunft auf neuere organische Materialsysteme angewendet werden.

Das Video zeigt den Schnitt einer simulierten 150-Nanometer dicken Bulk-Hetero-Junction-Morphologie am Ende des Herstellungsprozess. Diese photoaktive Schicht besteht aus einer Materialmischung aus Polymeren (rot) und Kleinmolekülen (grün).

Originalpublikation

Olivier J. J. Ronsin, Jens Harting
Formation of Crystalline Bulk Heterojunctions in Organic Solar Cells: Insights from Phase-Field Simulations
ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 44, 49785–49800
Publication Date: October 25, 2022
DOI: 10.1021/acsami.2c14319

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Prof. Dr. Jens Harting

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    Letzte Änderung: 20.12.2022