Terrylen-basierende Akzeptoren für Organische Solarzellen

Die Photovoltaik ist ein wichtiger Pfeiler für eine saubere und erneuerbare Energieerzeugung. Nach Berichten über die ersten Silizium-Solarzellen in den fünfziger Jahren ist das Feld stetig gewachsen und viele neue Arten von Solarzellen wurden entwickelt. In letzter Zeit haben organische Solarzellen aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften, wie starke und einstellbare Lichtabsorption, mechanische Flexibilität, reduzierte Herstellungskosten und ökologische Vorteile, ein wachsendes Forschungsinteresse gefunden. In diesen Zellen besteht die lichtabsorbierende Schicht aus einer Mischung zweier organischer Materialien, einem sogenannten einem Elektronendonor- und einem Akzeptormaterialien, die auf organischen Molekülen (oder Polymeren) basieren. Unabhängig vom Solarzellentyp blieb das zentrale Forschungsziel - Effizienzsteigerung und Senkung der Herstellungskosten - seit den frühesten Solarzellen gleich. Im aktuellen Projekt wird dieses Ziel systematisch angegangen, indem die Struktur-Eigenschafts-Beziehung neuartiger Akzeptormoleküle auf Terrylenbasis untersucht wird. Terrylene gehören zur Klasse der Rylenfarbstoffe. Perylenderivate, die ebenfalls zu dieser Klasse gehören, sind bereits etablierte Akzeptormaterialien für organische Solarzellen. Terrylene haben im Vergleich zu Perylenen verbesserte spektrale Eigenschaften, sind aber genauso synthetisch zugänglich, was sie für die Anwendung in Solarzellen interessant macht. Aufgrund ihrer höheren Molekülgröße neigen Terrylene jedoch zur Bildung intermolekularer Aggregate. Eine solche Aggregatbildung verringert die Löslichkeit und als Folge wird die Solarzellenherstellung erschwert. Darüber hinaus verringert die Aggregation der Akzeptormoleküle die Effizienz des Elektronentransfers in einer Mischung mit Donormaterialien, was sich direkt negativ auf die Leistung der Solarzellen auswirkt. Um dieses Problem zu lösen, werden in diesem Projekt verschiedene neue Terrylenderivate mit verbesserter Löslichkeit hergestellt und ihre optischen und elektronischen Eigenschaften charakterisiert. Zur Interpretation der Ergebnisse werden verschiedene Berechnungsmethoden eingesetzt. Darüber hinaus werden Mischungen mit Elektronendonoren hergestellt und ihre strukturellen Eigenschaften unter Verwendung von Methoden wie Röntgenstreuungsmessungen und Rasterkraftmikroskopie charakterisiert. Diese Mischungen werden auch zur Herstellung von Solarzellen verwendet, deren Wirkungsgrad dann bestimmt wird. Aus den erfassten Daten wird die Struktur-Eigenschafts-Beziehung für Terrylenderivate aufgestellt, die dadurch Solarzellen mit verbesserter Effizienz auf Basis der Terrylenakzeptoren ermöglichen sollen. Die neuen Terrylenefarbstoffe und die Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen Terrylenstruktur und ihrer Eigenschaften sind auch für andere Gebiete interessant, wie etwa Materialwissenschaft (z. B. organische Feldeffekttransistoren) oder analytische Chemie (z. B. neue Fluoreszenzfarbstoffe).

Eines Tages in naher Zukunft könnten wir durch ein Fenster eines Gebäudes schauen und nicht einmal merken, dass dieses Fenster in diesem Moment Strom erzeugt. Diese Vision könnte mit Hilfe von organischen Solarzellen ermöglicht werden. Sie sind die dritte Generation der Photovoltaiktechnologie, während die vorherigen Generationen aus so bekannten Materialien wie Silizium bestehen. Aber was ist das Besondere an organischen Solarzellen? Vor allem, dass sie sehr dünn sind, ihre Farbe angepasst werden kann und die Produktion im Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren erfolgen kann. Aufgrund dieser Faktoren können wir uns eine dünne, halbtransparente organische Solarzelle vorstellen, die die gesamte Oberfläche unseres Fensters bedeckt, tagsüber das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt und nachts das Innenlicht zurückgewinnt. Organische Solarzellen ähneln einer Torte, die aus mehreren Schichten besteht - Substrat, Elektroden, Zwischen- und lichtabsorbierende Schichten. Jede von ihnen besteht aus verschiedenen Chemikalien. Die lichtabsorbierende Schicht besteht aus einer Mischung von zwei Substanzen, die Donor und Akzeptor genannt werden. Diese Namen ergeben sich aus der Tatsache, dass mit Hilfe von Licht (Photonen!) einer von ihnen seine Elektronen an den anderen abgibt - und so eine Ladung erzeugt wird. Nach einer kurzen Reise durch die vorgenannten Zwischenschichten wird die Ladung an den Elektroden abgezogen, was bedeutet, dass Licht in Elektrizität umgewandelt wird. In diesem Projekt wurde ein verbesserter Akzeptor entwickelt. Zu diesem Zweck wurden Chemikalien aus der Klasse der Terrylendiimide verwendet. Diese zeichnen sich durch eine sehr starke Lichtabsorption sowie durch photochemische Stabilität aus. Mehrere neue Terrylendiimide wurden hergestellt und für den Bau organischer Solarzellen verwendet, gefolgt von der Charakterisierung der Solarzelleneffizienz. Es wurde ein Trend entdeckt, wie die strukturellen Veränderungen in den Terrylendiimiden ihre Leistung in Solarzellen beeinflussen. Diese Ergebnisse können für die Herstellung weiterer, verbesserter Terrylendiimide genutzt werden. Außerdem wurden auch eng verwandte Chemikalien hergestellt, die aus zwei Perylenmonoimid-Molekülen bestehen, die durch eine Phenylen-"Brücke" verbunden sind. Zusammen bilden sie ebenfalls eine Diimidstruktur. Erfreulicherweise war ihre Leistung in Solarzellen sogar besser als die der Terrylendiimide. Darüber hinaus wurden theoretische Berechnungen zur Unterstützung der experimentellen Arbeit eingesetzt. Hier konnte eine bisher selten genutzte Berechnungsmethode für die Erforschung neuer Akzeptoren für organische Solarzellen erfolgreich eingesetzt werden. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse haben neue, bisher unbekannte Akzeptormoleküle für organische Solarzellen geliefert. Sie wurden in einer wissenschaftlichen Publikation, sowie in mehreren Bachelor- und Masterarbeiten, die an der Technischen Universität Graz durchgeführt wurden, zusammengefasst. Darüber hinaus wurde eine umfassende wissenschaftliche Literaturübersicht über verschiedene (über 700) Akzeptoren erstellt und veröffentlicht. Diese Arbeit wird Forschern auf der ganzen Welt bei ihrer Arbeit an neuen Akzeptormaterialien eine wertvolle Hilfe sein. Es ist zu hoffen, dass einige dieser Materialien, angewandt in organischen Solarzellen, dazu beitragen werden, den ständig steigenden Energiebedarf auf grüne und nachhaltige Weise zu decken.