Gesundheit: Solarzellen: Die richtige Mischung lässt Strom fließen

Die Natur ist oft der Technik bestes Vorbild. Während die Menschen sich seit einigen Jahren um die Nutzung der Sonnenenergie bemühen, gewinnen Pflanzen ihre Energie bereits seit Jahrmillionen, indem sie Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln. Solarzellen aus organischen Materialien wären vorteilhaft, könnten sie doch mit geringem Energie- und Kostenaufwand produziert werden. Meist sind diese Energieumwandler jedoch zu wenig effektiv. Durch Kombination zweier organischer Substanzen lässt sich der Wirkungsgrad jedoch deutlich erhöhen. Das Team um den Physiker Schmidt-Mende von der University of Cambridge in den USA entwickelte jetzt eine effektive organische Solarzelle, in der sich die beiden Komponenten sogar von selbst zu einer optimalen Struktur anordnen.

In einer Solarzelle werden die ankommenden Photonen von lichtempfindlichem Material verschluckt. Dabei gibt das Lichtteilchen seine Energie an ein Elektron ab. Dieses Elektron springt in einen Zustand höherer Energie und hinterlässt im ursprünglichen Energieband eine Lücke. Eine innere elektrische Spannung im Material treibt Elektron und Lücke in zwei verschiedene Richtungen, dem Plus- und dem Minuspol - elektrischer Strom fließt.

Bei herkömmlichen anorganischen Solarzellen aus Silizium bewegen sich Elektronen und Lücken relativ leicht durch das Kristallgitter. In organischen Halbleitern ist diese Bewegung schwieriger, da die einzelnen Moleküle normalerweise nicht in einer Kristallstruktur angeordnet sind. Die meisten Ladungsträger sind fest aneinander gebunden und bleiben quasi an ihrem Molekül kleben, bis das Elektron in die Lücke zurückspringt. Deshalb kommt kein effektiver Stromfluss zustande.

Durch trickreiche Mischung zweier Substanzen gelang es den Wissenschaftlern, die Bindung zwischen Elektronen und Löchern aufzubrechen. Dabei ist der eine Stoff für Elektronen, der andere für die Löcher des jeweils anderen Materials attraktiv. Ehe ein angeregtes Elektron in die von ihm erzeugte Lücke zurückspringen kann, ist es bereits von einem Molekül des anderen Materials eingefangen. Dasselbe trifft auf die Lücke zu. Zum jeweiligen Ladungspol können Elektronen oder Lücken aber nur gelangen, wenn sie den Weg dorthin im gleichen Material zurücklegen können.

Die Forscher suchten sich nun Substanzen aus, die sich zu kleinen schlauchförmigen Gebilden ordnen, die den elektrischen Ladungen als Tunnel zu den Polen dienen. Das eine Material, ein Farbstoff, ordnet sich zu nadelartigen Kristallen an, die das auftreffende Licht einfangen. Die zweite Substanz ist eine relativ neue Entdeckung. Sie ist aus Scheiben aufgebaut, die sich zu säulenartigen Strukturen ordnen, in denen die positiven Löcher besonders gut wandern können.

Es ist bemerkenswert, dass sich Substanzen in zwei sehr feine Schichten trennen, wenn das Mischungsverhältnis stimmt. Eine solche Schichtung erhöht die Effektivität der Solarzellen erheblich - die Herstellung ist allerdings sehr aufwändig. Ein Material, in dem sich die vorteilhaften Strukturen von selbst ergeben, lässt auf künftige Massenproduktion von organischen Solarzellen hoffen. Noch effektiver wären Systeme, die die Selbstorganisation mit der raffinierten Energieumwandlung des Chlorophylls verbinden. Doch das ist derzeit Zukunftsmusik.

Swantje Meier