Dänische Forscher berichten, dass die Behandlung von organischen Solarzellen ohne Fulleren-Akzeptor mit Vitamin C eine antioxidative Wirkung hat und so die durch Hitze, Licht und Sauerstoffeinwirkung entstehenden Abbauprozesse lindert. Die Zelle erreichte einen Wirkungsgrad von 9,97 %, eine Leerlaufspannung von 0,69 V, eine Kurzschlussstromdichte von 21,57 mA/cm² und einen Füllfaktor von 66 %.
Ein Forscherteam der Universität von Süddänemark (SDU) wollte die Fortschritte bei der Energieumwandlungseffizienz für organische Solarzellen (OPV) mitNicht-Fulleren-Akzeptor (NFA)Materialien mit Stabilitätsverbesserungen.
Das Team wählte Ascorbinsäure, allgemein bekannt als Vitamin C, und verwendete sie als Passivierungsschicht zwischen einer Elektronentransportschicht (ETL) aus Zinkoxid (ZnO) und der photoaktiven Schicht in NFA-OPV-Zellen, die mit einem invertierten Geräteschichtstapel und einem halbleitenden Polymer (PBDB-T:IT-4F) hergestellt wurden.
Die Wissenschaftler bauten die Zelle mit einer Indiumzinnoxidschicht (ITO), der ZnO-ETL, der Vitamin-C-Schicht, dem PBDB-T:IT-4F-Absorber, einer trägerselektiven Schicht aus Molybdänoxid (MoOx) und einem Silbermetallkontakt (Ag).
Die Gruppe stellte fest, dass Ascorbinsäure eine photostabilisierende Wirkung hat. Die antioxidative Wirkung mildert die Abbauprozesse, die durch Sauerstoff-, Licht- und Wärmeeinwirkung entstehen. Tests wie UV-Absorption, Impedanzspektroskopie sowie lichtabhängige Spannungs- und Strommessungen zeigten zudem, dass Vitamin C das Photobleichen von NFA-Molekülen reduziert und die Ladungsrekombination unterdrückt, so die Studie.
Ihre Analyse ergab, dass die eingekapselten Geräte mit der Vitamin-C-Zwischenschicht nach 96 Stunden kontinuierlicher Photodegradation unter 1 Sonne 62 % ihres ursprünglichen Werts behielten, während die Referenzgeräte nur 36 % behielten.
Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Stabilitätsgewinne nicht auf Kosten der Effizienz gingen. Das Spitzengerät erreichte einen Wirkungsgrad von 9,97 %, eine Leerlaufspannung von 0,69 V, eine Kurzschlussstromdichte von 21,57 mA/cm² und einen Füllfaktor von 66 %. Die Referenzgeräte ohne Vitamin C wiesen einen Wirkungsgrad von 9,85 %, eine Leerlaufspannung von 0,68 V, einen Kurzschlussstrom von 21,02 mA/cm² und einen Füllfaktor von 68 % auf.
Auf die Frage nach Kommerzialisierungspotenzial und Skalierbarkeit antwortete Vida Engmann, Leiterin einer Gruppe amZentrum für fortschrittliche Photovoltaik und Dünnschicht-Energiegeräte (SDU CAPE), sagte gegenüber pv magazine: „Unsere Geräte in diesem Experiment waren 2,8 mm2 und 6,6 mm2 groß, können aber in unserem Roll-to-Roll-Labor bei SDU CAPE, wo wir auch regelmäßig OPV-Module herstellen, vergrößert werden.“
Sie betonte, dass das Herstellungsverfahren skalierbar sei und wies darauf hin, dass es sich bei der Grenzflächenschicht um eine „preiswerte Verbindung handele, die in üblichen Lösungsmitteln löslich sei und daher wie die übrigen Schichten in einem Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsprozess“ in einer OPV-Zelle verwendet werden könne.
Engmann sieht Potenzial für Additive über OPV hinaus in anderen Zelltechnologien der dritten Generation, wie Perowskit-Solarzellen und Farbstoffsolarzellen (DSSC). „Andere organische/hybride Halbleitertechnologien wie DSSC und Perowskit-Solarzellen weisen ähnliche Stabilitätsprobleme auf wie organische Solarzellen. Daher besteht eine gute Chance, dass sie auch zur Lösung der Stabilitätsprobleme dieser Technologien beitragen können“, erklärte sie.
Die Zelle wurde in der Zeitung „Vitamin C für photostabile organische Solarzellen ohne Fullerenakzeptoren”, veröffentlicht inACS Angewandte Materialschnittstellen.Erstautor der Studie ist Sambathkumar Balasubramanian von der SDU CAPE. Zum Team gehörten Forscher der SDU und der Rey Juan Carlos University.
Für die Zukunft plant das Team weitere Forschungen zu Stabilisierungsansätzen mit natürlich vorkommenden Antioxidantien. „Wir werden in Zukunft weiter in diese Richtung forschen“, sagte Engmann und verwies auf die vielversprechende Forschung zu einer neuen Klasse von Antioxidantien.
Veröffentlichungszeit: 10. Juli 2023