{"id":56310,"date":"2012-07-05T00:00:00","date_gmt":"2012-07-04T22:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/energie\/wegweisende-grundlagenforschung-zu-organischen-solarzellen.html"},"modified":"2012-07-05T00:00:00","modified_gmt":"2012-07-04T22:00:00","slug":"wegweisende-grundlagenforschung-zu-organischen-solarzellen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/energie\/wegweisende-grundlagenforschung-zu-organischen-solarzellen\/","title":{"rendered":"Wegweisende Grundlagenforschung zu organischen Solarzellen"},"content":{"rendered":"
Bayreuther Polymerwissenschaftlerin gewinnt den Ersten Preis bei den DSM Science & Technology Awards 2012. Wenn es um die effiziente und kosteng\u00fcnstige Erzeugung von Solarstrom geht, sind organische Solarzellen aus Kunststoff eine vielversprechende Alternative zu klassischen Siliziumzellen. F\u00fcr ihre Forschungsarbeiten auf diesem noch jungen Gebiet der Photovoltaik hat Dr. Ruth Lohwasser, Universit\u00e4t Bayreuth, k\u00fcrzlich den Ersten Preis bei den renommierten DSM Science & Technology Awards erhalten. In ihrer preisgekr\u00f6nten Dissertation entwickelt sie materialwissenschaftliche Grundlagen f\u00fcr polymere Halbleiter und deren Strukturierung auf der Nanoskala, also in einer Gr\u00f6\u00dfen-ordnung bis zu 100 Nanometern (1 Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter). <\/p>\n
Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es, die Eigenschaften der als Halbleiter verwendeten Kunststoffe und die Funktionsweise der daraus gefertigten Solarzellen m\u00f6glichst genau zu verstehen. Auf dieser materialwissenschaftlichen Basis lassen sich voraussichtlich neue Technologien entwickeln, die imstande sind, einen hohen Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzuwandeln. Zugleich bietet sich die Chance, kosteng\u00fcnstige Solarzellen in einfachen Druckverfahren herzustellen. Denn polymere Halbleiter sind sehr gut l\u00f6slich und lassen sich aus L\u00f6sung verarbeiten.<\/p>\n
Organische Solarzellen sollen in der Lage sein, m\u00f6glichst viel Lichtenergie zu absorbieren und eine m\u00f6glichst gro\u00dfe Menge davon als elektrischen Strom nach au\u00dfen abzugeben. Wie l\u00e4sst sich dieses Ziel mit polymeren Halbleitern erreichen? \u201eInsbesondere dadurch, dass f\u00fcr den Transport von Elektronen und L\u00f6chern innerhalb der Solarzelle viele Bahnen bereitstehen\u201c, erl\u00e4utert Dr. Ruth Lohwasser. \u201eElektronen sind negative Ladungstr\u00e4ger, als \u201aL\u00f6cher\u2019 oder \u201aDefektelektronen\u2019 werden die positiven Ladungstr\u00e4ger bezeichnet. Die Bahnen, auf denen diese gegens\u00e4tzlichen Ladungen transportiert werden, m\u00fcssen in Abst\u00e4nden von wenigen Nanometern verlaufen. So ist gew\u00e4hrleistet, dass die durch Lichtenergie angeregten Elektronen einen Stromkreislauf in Gang setzen.\u201c<\/p>\n
Die Bayreuther Chemikerin hat sich deshalb auf die Suche nach Materialien begeben, die in der geforderten Weise strukturiert werden k\u00f6nnen. Diese Strukturierung muss bereits auf der Nanoskala erfolgen. Denn an Grenzfl\u00e4chen in dieser Gr\u00f6\u00dfenordnung trennen sich, sobald Lichtenergie absorbiert wird, negative und positive Ladungen \u2013 eine Voraussetzung daf\u00fcr, dass Strom flie\u00dfen kann. Je pr\u00e4ziser sich also die Materialien auf der Nanoskala strukturieren lassen, desto genauer kann die Erzeugung von Elektronen und L\u00f6chern gesteuert werden. Und desto genauer lassen sich auch die Eigenschaften der Transportbahnen einstellen, auf denen diese Ladungen zu den Elektroden der Solarzelle weiter-geleitet werden.<\/p>\n
Welche Materialien aber erlauben eine derartige Feinstrukturierung? Als Mitglied eines Forschungsteams um Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, der im Rahmen des EU-Projekts \u201eLargecells\u201c schon seit mehreren Jahren die organische Photovoltaik vorantreibt, ist Dr. Ruth Lohwasser auf eine besondere Klasse von Makromolek\u00fclen aufmerksam geworden. Diese werden in der Forschung \u201eBlockcopolymere\u201c genannt und eignen sich unter bestimmten Voraussetzungen besonders gut zur Strukturierung auf der Nanoskala.<\/p>\n
Nanostrukturierte Blockcopolymere als Bausteine f\u00fcr organische Solarzellen <\/strong><\/p>\n
Blockcopolymere sind Makromolek\u00fcle, die aus zwei chemisch verschiedenen Ketten bestehen. An genau einer Stelle sind die Ketten miteinander verkn\u00fcpft. Damit nun ein solches Makromolek\u00fcl f\u00fcr den Bau von Halbleitern geeignet ist, m\u00fcssen hinsichtlich der beiden Ketten vor allem die folgenden Voraussetzungen erf\u00fcllt sein: In der einen Kette wiederholt sich mehrfach eine Molek\u00fcleinheit, die Elektronen leitet; in der anderen Kette wiederholt sich mehrfach eine Molek\u00fcleinheit, die L\u00f6cher leitet. Die so strukturierten Ketten verteilen sich auf r\u00e4umlich klar unterscheidbare, nanometergro\u00dfe Bereiche des Makromolek\u00fcls. Ihre chemische Verkn\u00fcpfung gew\u00e4hrleistet, dass sich die beiden unter-schiedlichen Molek\u00fclteile nicht weiter r\u00e4umlich trennen k\u00f6nnen.<\/p>\n
Blockcopolymere mit einem derartigen Aufbau lassen sich, wie Dr. Ruth Lohwasser in ihrer Arbeit zeigt, zu wohlgeordneten Gro\u00dfstrukturen zusammenf\u00fcgen. Die von ihr entwickelten Syntheseverfahren f\u00fchren zu polymeren Halbleitern, die eine Vielzahl deutlich getrennter, aber eng benachbarter Transportbahnen f\u00fcr Elektronen und L\u00f6cher enthalten. Eine Pointe ihrer Forschungen liegt in dem Nachweis, dass sich durch ein gezieltes Fein-design der Blockcopolymere die Strukturen, Eigenschaften und Verhaltensweisen der Halbleiter steuern lassen, die bei der Synthese herauskommen. Wenn man beispielsweise die Anzahl der sich wiederholenden Molek\u00fcleinheiten und damit die L\u00e4nge der beiden ladungsleitenden Ketten erh\u00f6ht oder verringert, \u00e4ndert sich auch die Gr\u00f6\u00dfe und die Art der Transportbahnen (siehe dazu die Grafik linker Container).<\/p>\n
\u201eDiese materialwissenschaftlichen Grundlagen helfen bei der Entwicklung k\u00fcnftiger polymerer Halbleiter, die in organischen Solarzellen f\u00fcr eine effiziente Stromgewinnung sorgen k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt die Bayreuther Polymerwissenschaftlerin. \u201eDamit sind wir dem Ziel n\u00e4her gekommen, eines Tages gro\u00dffl\u00e4chige und kosteng\u00fcnstige Plastikfolien her-stellen zu k\u00f6nnen, die Lichtenergie in Elektrizit\u00e4t verwandeln.\u201c Und noch ein weiterer Aspekt macht die neuen Forschungsergebnisse nicht nur f\u00fcr die Industrie, sondern auch f\u00fcr die \u00d6ffentlichkeit attraktiv: Durch das Feindesign der Kunststoffmolek\u00fcle lassen sich die Farben und weitere \u00e4sthetisch relevante Eigenschaften der organi-schen Solarzellen gezielt beeinflussen.<\/p>\n
Erfolgreich gegen\u00fcber internationalen Wettbewerbern <\/strong><\/p>\n
In Hinblick auf die hohe gesellschaftliche Bedeutung ihrer Grundlagenforschung ist Dr. Ruth Lohwasser der mit 10.000 Euro dotierte Erste Preis bei den DSM Science & Technology Awards (South) 2012 zuerkannt worden. In der Endrunde dieses multinationalen Wettbewerbs konnte sich die Bayreuther Absolventin gegen\u00fcber 11 anderen Nachwuchswissenschaftlern aus Frankreich, der Schweiz, \u00d6sterreich und S\u00fcddeutschland durchsetzen, nachdem sie von ihrem Doktorvater Prof. Dr. Mukundan Thelakkat f\u00fcr die Auszeichnung vorgeschlagen worden war. Bei einer Festveranstaltung in Interlaken \/ Schweiz nahm sie den Preis pers\u00f6nlich entgegen. Die DSM Gruppe ist ein weltweit agierendes Unternehmen mit Schwerpunkten in den Bereichen Gesundheit, Ern\u00e4hrung und Neue Materialien.<\/p>\n