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Elektronenwanderung mit Hindernis

Wie funktioniert eine organische Solarzelle?

Was passiert in einer organischen Solarzelle denn nun genau? Und wie wird aus Sonnenlicht Strom? Eigentlich dürften organische Solarzellen nicht wirklich gut funktionieren – zumindest aus

physikalischer Sicht. Während die klassische Fotovoltaik mit anorganischen Halbleitern arbeitet, um aus Licht Strom zu gewinnen, wird diese Aufgabe im Falle der organischen Solarzellen von lichtabsorbierenden organischen Molekülen übernommen.

Schematischer Schichtaufbau einer organischen Solarzelle © DFG Forschung Spezial

Sandwichprinzip kleiner als Haaresbreite

Organische Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten dieser Moleküle. Zwischen einer transparenten und einer meist nicht-transparenten Elektrode befindet sich die lichtabsorbierende Schicht, die je nach Konzept noch von Ladungsträgertransportschichten umgeben ist. Die ganze Struktur inklusive der Elektroden misst deutlich weniger als ein tausendstel Millimeter und ist somit ungefähr 500-mal dünner als ein menschliches Haar.

Fällt Licht auf ein fotoaktives Molekül, werden negativ geladene Elektronen auf höhere Energieniveaus gehoben. Das aber ist erst die halbe Miete, denn das angeregte Elektron bleibt erst einmal an das gleichzeitig entstandene Loch gebunden und kann das Molekül nicht verlassen. Somit gibt es zunächst keinen Stromfluss.

Trennung des Elektron-Loch- Paares an der speziell geformten Grenzschicht, der "Hetero-Junction" © S.Babar / CC_by-sa 3.0

Trennung zwischen Elektron und Loch

Hier findet sich der grundlegende Unterschied in der Funktionsweise von anorganischen und organischen Solarzellen: In anorganischen Solarzellen werden unter Bestrahlung mit Licht direkt freie Elektronen und Löcher erzeugt. In einer organischen Solarzelle hingegen müssen Elektronen und Löcher erst noch voneinander getrennt und in einen Zustand gebracht werden, in dem sie frei beweglich sind.

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Dabei wird ein sogenannter Heteroübergang an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien genutzt. Sobald ein Elektron-Loch- Paar so eine Grenzfläche erreicht, wirkt diese als Trennfläche. Bei einer geeigneten Kombination zweier Materialien, wenn etwa das eine Material die Elektronen stärker anzieht als das andere, wechselt das Elektron die Seite und das Loch bleibt zurück. Der Strom kann fließen.

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Prof. Dr. Karl Leo, Dr. Annette Polte, Dr. Moritz Riede/ IAPP TU Dresden / DFG Forschung Spezial
Stand: 10.09.2010

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Sonnige Aussichten mit organischen Solarzellen?
Mehr Effektivität für die flexiblen „Sonnensammler“

Energiespender Sonne
Fotovoltaik als Energie der Zukunft?

Strom aus der Plastikfolie
Was sind die Vorteile der organischen Solarzellen?

Elektronenwanderung mit Hindernis
Wie funktioniert eine organische Solarzelle?

Eine Frage des Materials
Die Suche nach der optimalen Kombination

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