Funktionsweise
Organische Photodetektoren und Solarzellen bestehen aus dünnen Schichten (ca. 100 Nanometer) organischer Materialien. Elektronen und Löcher (Exzitonen) werden in der photaktiven Schicht durch auftreffende Photonen getrennt und zu den Kontakten übertragen. Im Unterschied zu anorganischen Solarzellen werden keine freie Ladungsträger, sondern Exzitonen mit einer Bindungsenergie von 0.3-0.5 eV erzeugt. Die Trennung der Exzitonen erfolgt an einem Heteroübergang zwischen 2 organischen Materialien. Die Energieniveaus beider Schichten ist dabei zu optimieren, um einerseits keine Energie zu verlieren und andererseits das gebundene Elektronen-Loch-Paar zuverlässig zu trennen. Derzeit werden 2 Arten organischer Solarzellen unterschieden: Die Halbleitermaterialien enthalten entweder kleine Moleküle (Oligomere) oder Polymere. Organische Solarzellen aus kleinen Molekülen werden per Vakuumdeposition hergestellt, Polymer-Solarzellen in einem Tintenstrahldruckverfahren.
Das p-i-n-Konzept
Vergleich zwischen ursprünglichen Solarzellen von Tang (1986) und der p-i-n-Solarzellenstruktur. Die Pfeile zeigen einfallendes und reflektiertes Licht.
Ursprünglich basierten viele organische Solarzellen (linkes Bild) nur aus einem Heteroübergang zwischen zwei absorbierenden Schichten. Der photoaktive Bereich ist nur ein schmaler Streifen am eigentlichen Übergang, während die meisten Photonen außerhalb absorbiert werden und deren Energie nicht genutzt werden kann. Der Elektrodenabstand kann andererseits nicht verringert werden, um die Rekombination der Ladungsträger zu vermeiden. Im p-i-n-Konzept wird die photoaktive Schicht von 2 transparenten Transportschichten flankiert. Diese werden gezielt mit geeigneten organischen Materialien p- bzw. n-dotiert, um die Beweglichkeit der Elektronen bzw. der Löcher, d.h. die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Die verwendeten Materialien besitzen eine große optische Band-
lücke und tragen nur unwesentlich zur Absorption im sichtbaren Spektralbereich bei.
Energiediagramm für ideale p-i-n-Struktur
Hingegen kann die photoaktive Absorber-Schicht in organischen Solarzellen so positioniert werden, dass sie in ihrer vollen Dicke zur Generation des Photostroms beitragen kann. Damit wird die parasitrische Absorption deutlich verringert und die Quanteneffizienz, d.h. das Verhältnis aus resultierenden Exzitonen zu einfallenden Photonen, erhöht. Sogar das an der Elektrode reflektierte Licht kann genutzt werden.
Diese Technologie erlaubt durch Variation der Schichtdicken z.B., die photoaktive Schicht in das Maximum der optischen Feldverteilung zu platzieren. So kann die Effizienz der Solarzelle in mannigfacher Hinsicht optimiert werden.