Wissenschaftler der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich haben eine bahnbrechende Entdeckung gemacht: Sie fanden photovoltaische Eigenschaften in einem strahlenden organischen Halbleitermolekül namens Poly(3-Triphenylmethyl-Thiophen) (P3TTM). Diese Entdeckung könnte die Zukunft der Solarzellen-Technologie entscheidend verändern.
Unterschiede zu konventionellen organischen Halbleitern
Im Gegensatz zu herkömmlichen organischen Halbleitern, die gepaarte Elektronen enthalten, besitzen organische Radikal-Halbleiter mindestens ein ungepaartes Elektron pro Molekül, was ihnen ein „offenes Schalen“-Charakter verleiht. Der Hauptautor der Studie, Biwen Li, erklärte: „In den meisten organischen Materialien sind die Elektronen gepaart und interagieren nicht mit ihren Nachbarn. In unserem System jedoch fördern die Wechselwirkungen zwischen den ungepaarten Elektronen benachbarter Moleküle eine alternierende Ausrichtung, was ein Kennzeichen des Mott-Hubbard-Verhaltens ist.“
Mott-Hubbard-Verhalten und seine Bedeutung
Das Mott-Hubbard-Verhalten tritt in Materialien auf, in denen die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen besonders stark sind. Bei P3TTM kann jedes Molekül als ein Haus betrachtet werden, das ein einzelnes Elektron enthält. Wenn Licht ein Elektron anregt, kann es zu einem benachbarten Molekül springen. „Nach der Lichtabsorption bewegt sich eines dieser Elektronen zu seinem nächsten Nachbarn und erzeugt positive und negative Ladungen, die als Photostrom geerntet werden können“, so das Forschungsteam.
Experimentelle Solarzelle mit P3TTM
Um diese Theorie zu testen, konstruierten die Forscher eine experimentelle Solarzelle, die eine P3TTM-Folie verwendet. Die Vorrichtung umfasst eine PEDOT:PSS-Schicht auf Indium-Zinn-Oxid (ITO), eine Buckminsterfulleren (C60)-Schicht, einen Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester (PCBM)-Spacer und einen Aluminium (Al)-Kontakt. Unter standardisierten Beleuchtungsbedingungen erreichte die Solarzelle eine nahezu vollständige Ladungsaufnahmeeffizienz.
Effizienzsteigerung durch neue Materialien
„Das bedeutet, dass nahezu jedes Photon Licht in eine nutzbare elektrische Ladung umgewandelt wurde“, berichteten die Forscher. „Bei herkömmlichen molekularen Halbleiter-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photon zu Ladung typischerweise nur an den Grenzflächen zwischen zwei Materialien – eines fungiert als Elektronenspender, das andere als Elektronenakzeptor – was die Gesamteffizienz begrenzt.“ Im Gegensatz dazu erzeugen die neuen Materialien nach der Lichtabsorption die Energie, die ein Elektron von einem Molekül zu einem identischen Nachbarn treibt und elektrische Ladungen erzeugt.
Die Bedeutung der Hubbard-U-Energie
Die Energie, die für diesen Prozess benötigt wird, ist als „Hubbard U“ bekannt und stellt die elektrostatische Kosten der doppelten Elektronbelegung auf dem negativ geladenen Molekül dar. Die Forscher betonten, dass dieser Durchbruch die Herstellung von Solarzellen aus einem einzigen, kostengünstigen und leichten Material ermöglichen könnte. Diese Eigenschaften stehen im Gegensatz zu den oft komplexen und teuren Kompositionen, die in herkömmlichen Solarzellen verwendet werden.
Forschungsergebnisse in namhafter Publikation
Die Ergebnisse dieser Forschung sind in der Studie „Intrinsic intermolecular photoinduced charge separation in organic radical semiconductors“ veröffentlicht in Nature Materials, zugänglich. Die Forscher schlussfolgern: „Diese Arbeit bietet einen Ansatz zur Erforschung der Energieerzeugung und solarbetriebenen Chemie sowohl in Lösung als auch im Feststoffzustand mit nur einer einzigen Komponente.“
Fazit
Die Entdeckung von photovoltaischen Eigenschaften in organischen Radikal-Halbleitern könnte ein entscheidender Fortschritt in der Solarzellen-Technologie sein. Mit dem Potenzial zur Herstellung effizienterer und kostengünstigerer Solarzellen könnte dieser Durchbruch nicht nur die Art und Weise verändern, wie wir Solarenergie nutzen, sondern auch die gesamte Branche beeinflussen. Die Forschungsarbeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Nutzung zukunftsorientierter Materialien in der Energiegewinnung und könnte weitreichende Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit haben.
