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Von sich aus schon schwarz

Organische Solarzellen: Zinn in Polymeren steigert Lichtabsorption
Von sich aus schon schwarz

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Forschern ist es gelungen, organisches Zinn in ein halbleitendes Polymer einzubauen. Dadurch kann der Kunststoff Licht über einen weiten Bereich des Sonnenspektrums absorbieren. Das könnte organische Solarzellen viel effektiver machen.

In Gegensatz zu elektrischen Leitern wie Metallen sind Halbleiter Stoffe, die den Strom nur unter gewissen Umständen leiten, wie zum Beispiel bei Bestrahlung durch Licht. Diese Eigenschaft macht halbleitende Kunststoffe, auch halbleitende Polymere genannt, zu äußerst vielversprechende Materialien für die jüngste Generation von Solarzellen, den organischen Solarzellen. Gegenüber den klassischen anorganischen Varianten können diese günstiger hergestellt werden. Außerdem sind diese Polymere auch sehr leicht, was bei vielen Anwendungen, etwa im Transportwesen, vorteilhaft ist. „Trotzdem erreichen organische Solarzellen noch nicht die gleiche Effizienz wie anorganische Solarzellen auf Siliziumbasis, so dass hier noch ein großer Forschungsbedarf besteht“, ordnet Anne Staubitz vom Otto-Diels-Institut ihr Forschungsthema ein.

Ein wichtiges Kriterium dieser Halbleiter ist, wie gut sie das Licht der Sonne absorbieren können, um es in elektrischen Strom umzuwandeln. Bei der Umwandlung werden in den organischen Halbleitern zunächst Elektronen von einem Energieniveau in ein höher liegendes angehoben und lassen ein „Loch“ zurück, das positiv geladen ist. Dann werden die Ladungen getrennt zu den unterschiedlichen Polen geleitet: Strom fließt. Sonnenlicht regt diesen Prozess an. Je enger die beiden Energieniveaus beieinander liegen, umso leichter geschieht das; mehr Photonen können absorbiert und damit mehr Sonnenenergie genutzt werden. Polymere, bei denen die Lücke zwischen den Energieniveaus klein ist, haben eine rote, in seltenen Fällen sogar eine violette Farbe.
Ein Ziel der organischen Halbleiterforschung ist es deshalb, organische Polymere mit kleinen Energieabständen herzustellen. Solche stark absorbierenden, tief gefärbten Kunststoffe zu entwickeln, ist allerdings schwierig und daher aktuell ein besonders aktiver Forschungszweig. „Das neue Material aus unseren Laboren lässt bereits mit bloßem Auge erkennen, dass dies hier gelungen ist“, freut sich Staubitz. Tiefviolett erscheint das Polymer in Lösung und nahezu schwarz als dünner Film.
Um möglichst kleine Energieabstände zu erzielen, gingen die Kieler Forschenden einen neuen Weg in der Chemie. In eine Kohlenstoff-Polymerkette bauten sie organisches Zinn in ringförmigen Zyklen ein, die Stannole genannt werden. Zinn gehört derselben chemischen Gruppe wie Kohlenstoff an und ähnelt ihm deshalb in einigen Eigenschaften. Elektronisch unterscheiden sich Stannole und die entsprechenden Kohlenstoffverbindungen (Cyclopentadiene) jedoch stark: Zinn kann die hohen Energieniveaus in seinen organischen Verbindungen massiv herabsetzen. Bis jetzt hatte es aber noch niemand geschafft, diese besonderen Eigenschaften des Zinns in polymeren Materialien zu nutzen. Dies ist den Kielern nun gelungen. Das neue Material stellen Projektleiterin Professorin Anne Staubitz und ihr Doktorand Julian Linshöft in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ vor.
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