Plattenförmiges Stapeln von Molekülen verbessert die Leistung organischer Solarzellen

Für eine saubere, grüne Zukunft ist es unerlässlich, die Kraft der Sonne zu nutzen. Dafür brauchen wir optoelektronische Geräte wie Solarzellen, die Licht effizient in Elektrizität umwandeln können. Ein Team unter der Leitung der Universität Osaka hat nun entdeckt, wie sich die Effizienz dieser Geräte noch weiter steigern lässt: durch die Steuerung der Anordnung lichtabsorbierender Moleküle.

Organische optoelektronische Bauelemente wie organische Solarzellen erfreuen sich aufgrund ihrer inhärenten Vorteile, wie z. B. Flexibilität oder geringes Gewicht, zunehmender Beliebtheit. Ihre Leistungsfähigkeit hängt davon ab, wie gut ihre lichtabsorbierenden organischen Moleküle Lichtenergie in freie Ladungsträger umwandeln, die elektrischen Strom transportieren. Die zur Erzeugung der freien Ladungsträger benötigte Energie wird als Exzitonen-Bindungsenergie bezeichnet.

Je niedriger die Exzitonen-Bindungsenergie, desto einfacher ist die Erzeugung freier Ladungsträger und desto besser ist die Leistung des Geräts. Es fällt uns jedoch immer noch schwer, Moleküle mit niedriger Exzitonen-Bindungsenergie im Festkörper zu entwickeln.

Bei genauerer Betrachtung stellte das Forschungsteam fest, dass die Exzitonen-Bindungsenergie fester Materialien davon beeinflusst wird, wie sich ihre Moleküle aneinander stapeln (dies wird als Aggregation bezeichnet).

„Wir haben zwei Arten ähnlicher sternförmiger Moleküle synthetisiert, eines mit flexiblem Zentrum und das andere mit starrem Zentrum“, erklärt Erstautor Hiroki Mori. „Die einzelnen Moleküle verhielten sich ähnlich, wenn sie in einer Lösung dispergiert waren, aber ganz anders, wenn sie in dünnen festen Filmen übereinander gestapelt waren.“

Der Unterschied im Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass sich die starren Moleküle gut wie Platten stapeln lassen, während dies bei den flexiblen Molekülen nicht der Fall ist. Mit anderen Worten: Im festen Zustand hat das starre Molekül eine viel geringere Exzitonen-Bindungsenergie als das flexible Molekül.

Um dies zu überprüfen, baute das Team eine einkomponentige organische Solarzelle und einen Photokatalysator aus jedem Molekül. Die Solarzelle und der Photokatalysator aus dem starren Molekül zeigten eine beeindruckende Leistung, da ihre niedrige Exzitonen-Bindungsenergie zu einer hohen Erzeugung freier Ladungsträger führte.

„Unsere Erkenntnisse, dass die Herstellung von Molekülen, die sich gut aggregieren, die Exzitonen-Bindungsenergie verringern kann, sind wirklich aufregend“, sagt der leitende Autor Yutaka Ie. „Dies könnte uns einen neuen Weg eröffnen, effizientere optoelektronische Geräte zu entwickeln.“

Die Mannschaften Ergebnisseveröffentlicht in Angewandte Chemie Internationale Ausgabezeigen, dass die Wechselwirkung zwischen Molekülen in einem Feststoff für die Leistungsfähigkeit eines Geräts von Bedeutung ist und dass beim Design von Molekülen für optoelektronische Hochleistungsgeräte über die einzelnen Moleküleigenschaften hinausgegangen werden sollte.

Diese neue Methode zur Verringerung der Exzitonen-Bindungsenergie könnte die Antriebsmechanismen und die Architektur der nächsten Generation optoelektronischer Geräte untermauern.