光伏发电将在未来的能源供应中发挥关键作用。例如，基于硅（一种众所周知的半导体材料）的传统太阳能电池已经得到高度发展和广泛使用。然而，它们的生产是复杂的，因为它需要高温高真空。生产所用的能源可能需要长达五年的时间才能被运营所抵消。
这就是基于有机半导体的太阳能电池可以发挥作用的地方，因为它们可以以节能和节省成本的方式打印出来。然而，需要更详细地检查能量转换的局限性。由Chemnitz理工大学凝聚态光学和光子学教授领导的一个研究小组研究了决定有机太阳能电池功率限制的主要因素。
这项研究的主要作者是克里斯托弗W枚pke，Chemnitz理工大学凝聚态光学和光子学教授的研究助理。来自Bayreuth、Bern（CH）、Durham（英国）、Erlangen Nuremberg大学和高级光源伯克利实验室（美国）的科学家加入了这项研究。除其他外，该团队发现，传输阻力尤其严重限制了有机太阳能电池的性能。
在能源转型的背景下，这些结果对于开发更高效的太阳能电池、实现高通量生产的重要性尤为明显。与硅半导体不同的是，有机半导体已经可以在室温下使用印刷工艺制造，因此其生产所需的能源显著减少，光伏转换效率相当。此外，新型有机太阳能电池在实验室条件下的效率接近20%。这使他们的竞争力日益增强。
研究结果已发表在《自然通讯》上。
证明了运输阻力的关键重要性
太阳能电池中的有机半导体可以很好地捕捉阳光，将太阳能有效地转换为电能，并具有很好的能量平衡。然而，这些材料中电荷载流子的低迁移率仍然是一项重大的技术任务。这是因为电导率和效率取决于它。一个众所周知的挑战是，在复合发生之前，必须从有机太阳能电池中提取慢电荷载流子。这是利用太阳能的唯一途径。
几年前，弗赖堡和波茨坦的科学家描述了有机太阳能电池的另一个挑战，即最大功率点的光电压损失。这是由于缓慢移动的载流子。随着有机太阳能电池的老化，这种损失变得更加明显，这对效率有负面影响。理解这种损耗机制的重要性，即传输电阻引起的电压损耗，只有在Chemnitz研究人员现在发表的出版物中才真正清楚。
有机材料老化导致更多缺陷
高效有机太阳能电池由聚合物和非富勒烯受体分子的混合物组成，以不同的加速方式老化。参与的科学家使用互补方法研究了这些光伏器件。
Carsten Deibel教授说：“对于高温下的热加速降解，我们能够证明吸收体材料和界面的性能保持非常稳定。”。吸收材料是光吸收层。该界面描述了两个半导体接触电极的所有区域。
Deibel说，一个例外是由于光活性层纳米结构的变化而形成的与老化有关的缺陷状态，该团队能够观察到这一点。研究小组发现，传输电阻的相关增加是加速热降解导致填充因子降低的主要原因。填充因子是用于确定太阳能电池性能的三个因素之一。因此，老化导致的较低填充因子降低了能量转换的效率。
“我们需要广泛的互补方法来区分吸收层和电极界面的变化，以及复合和传输电阻之间的变化。因此，所有团队的多学科专业知识都是非常宝贵的，”W枚pke强调。
“我们研究的一个关键发现是，传输电阻是现代有机太阳能电池中一个主要的性能限制机制，需要加以解决，”Deibel教授补充道。“即使是新加工的光伏器件也显示出这种损耗，即使稍微抑制陷阱的形成也可以克服。”
未来的研究将探索减少有机太阳能电池中陷阱形成和提高电导率的方法。