Kurzfassung
In dem Bestreben, die Herstellung von Photovoltaik-Systemen nachhaltig zu gestalten, entdeckte die Oldenburger Forschungsgruppe von Dr. Manuela Schiek, wie sie mit den neuesten konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen sowohl Genauigkeit als auch Effizienz ihrer Forschung an organischen Halbleitern und transparenten Elektroden verbessern kann.
Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln, gelten als Inbegriff umweltfreundlicher Energie. Aber haben Sie sich jemals über den Herstellungsprozess Gedanken gemacht? Nehmen wir zum Beispiel kristallines Silizium, einen Hauptbestandteil konventioneller Solarzellen. So erfordert die Umwandlung von Rohsilizium in seine wertvolle, Kristallform Temperaturen von über 2.000 °C. Dies ist nicht nur ein unglaublich energieintensiver Prozess an sich, zur Gewinnung von ultrareinem Silizium sind auch mehrere gefährliche Chemikalien und ein starkes Treibhausgas erforderlich. Weitere Probleme bei der Herstellung moderner anorganischer Dünnschicht-Solarzellen entstehen durch Komponenten, die die giftigen Elemente Selen und Kadmium enthalten. Indium ist ebenfalls ein unverzichtbarer Bestandteil von Dünnschicht-Solarzellen in Form von Indium-Zinnoxid (ITO), aber die rentablen Reserven dieser nur begrenzt verfügbaren Ressource waren Schätzungen zufolge schon 2017 erschöpft, was eine weitere Reihe potenzieller Herausforderungen mit sich bringt. Beispiel Tantal: Die begrenzte Verfügbarkeit dieses umstrittenen Materials, das für die Herstellung von Transistoren von entscheidender Bedeutung ist, steht im Mittelpunkt des politischen Konflikts in der Demokratischen Republik Kongo.
Angesichts der zunehmenden Belastung des globalen Stromnetzes und des Strebens nach einer nachhaltigen Energieerzeugung müssen wir daher sicherstellen, dass die Verfahren zur Herstellung von umweltfreundlichen Geräten genauso nachhaltig sind – und dies ist das Ziel der Forschungsgruppe von Dr. Manuela Schiek an der Universität Oldenburg. Ihre Forschung konzentriert sich auf alternative Materialien zur Herstellung von Solarzellen, die sowohl ungefährlich als auch leicht verfügbar sind. Dazu gehören die Verwendung von organischen Halbleitern in der aktiven Schicht zur Energieumwandlung und ein transparentes Elektrodensystem mit einem Silber-Nanodrahtgeflecht, das in eine organische Polymermatrix eingebettet ist (siehe Textbox „Aufbau organischer Solarzellen”).
Verfahren zur Oberflächenanalyse erlauben wichtige Einblicke in die komplexe Mehrschichtstruktur und die Funktionsweise einer Solarzelle. Zwar sind die taktile Profilometrie und die Rasterkraftmikroskopie (AFM) seit Jahren die Hauptstützen der Oberflächenmesstechnik, die konfokale 3D-Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) gewinnt aber zunehmend an Beliebtheit.
Dank der Fähigkeit, detaillierte, farbechte optische Bilder zu erzeugen, sowie dank der berührungslosen Laser-Scanning-Technologie eignet sich das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop hervorragend als optisches Profilometer. 3D CLSM ist schneller und effizienter als Verfahren mit mechanischem Taster, kann weiche oder klebrige Oberflächen vermessen und erreicht eine Auflösung von 0,2 µm. Aufgrund dieser Vorteile verbesserte die kürzliche Einführung des konfokalen LEXT OLS4100 3D-Laser-Scanning-Mikroskops von Olympus in Dr. Schieks Labor die Forschung nach alternativen Möglichkeiten zur Herstellung von Solarzellen erheblich.
Aufbau organischer Solarzellen
 | Der Aufbau der populärsten organischen Solarzellen basiert auf einer aktiven Schicht zur Energieumwandlung zwischen zwei Elektroden – eine davon muss transparent sein, damit sie das Licht passieren kann. Photonen, die auf den organischen Halbleiter treffen, erzeugen die ladungstragenden Exzitonen, die dann durch Verwendung von zwei Materialien – eines Elektronendonors und eines Elektronenakzeptors – in Elektronen und
Löcher getrennt werden. Ein elektrisches Feld verursacht die Bewegung der Elektronen und Löcher zu ihren jeweiligen Elektroden und erzeugen die zur Bildung eines elektrischen Stromkreises erforderliche Ladungstrennung.
Dr. Schiek untersucht im Rahmen ihrer Forschung die Verwendung transparenter Silber-Nanodraht (AgNW)-Gitterelektroden als Ersatz für das spröde und seltene ITO sowie die Ausbildung der aktiven Schicht aus organischen Materialien als Alternative zu umweltschädlichen Chemikalien, um so flexible, nachhaltige und erschwingliche Dünnschicht-Solarzellen für Verbraucheranwendungen zu ermöglichen. |
Organische Materialien in der aktiven Schicht
In der aktiven Schicht wird die Energie der Photonen eingefangen; in organischen Solarzellen wird diese Schicht oft aus einer diskontinuierlichen Mischung zweier Materialien – einem Polymer und einem Fulleren – gebildet. Da das Polymer als Elektronendonor und das Fulleren als Elektronenakzeptor fungiert, führt diese Bulk-Heteroübergangsstruktur zu einer verbesserten Ladungstrennung von Elektronen und Löchern und damit zu einer besseren Funktion der Solarzelle. Polymere sind jedoch oft grob definierte Materialmischungen mit unterschiedlichen Kettenlängen und Eigenschaften, die sehr chargenspezifisch sind. Molekulare Halbleiter hingegen sind definierte Bausteine mit Eigenschaften, die durch kleine Änderungen ihrer Struktur eingestellt werden können, um die Funktion der Solarzelle zu optimieren. Eine interessante Klasse solcher Moleküle sind die Squaraine-Farbstoffe (Abbildung 1), die aufgrund ihrer Struktur eine breite Absorption im roten Bereich des Lichtspektrums besitzen. Dr. Schiek untersucht im Rahmen ihrer Forschungsarbeit eine aktive Bulk-Heteroübergangsschicht aus Squarainen, gemischt mit einem Fulleren-Akzeptor (weitere Informationen finden Sie in Literaturstelle 1). Die Dicke der aktiven Schicht ist für diese Anwendung entscheidend: Ist sie zu dünn, ist die Beweglichkeit der Ladungsträger eingeschränkt, ist sie zu dick, werden Lichtabsorption und Flexibilität deutlich reduziert.
Eine genaue Messung der Schichtdicke ist daher in jedem Falle wichtig. Im Labor von Dr. Schiek wird zunächst mit einer feinen Nadel ein Kratzer in der Oberfläche der aktiven Schicht erzeugt, anschließend werden die Stufenkanten dieses "Tals" profilometrisch vermessen. Früher wurde dazu die taktile Profilometrie genutzt, das organische Materials ist allerdings so weich, dass eine genaue Messung nur schwer möglich ist. Tatsächlich wurde häufig eine Höhendifferenz von etwa 20 nm zwischen den beiden Stufenkanten festgestellt, was angesichts der durchschnittlichen Dicke der aktiven Schicht von 100 nm signifikant ist. Wenn die Abtastnadel sich aus der Vertiefung nach oben bewegt, zerkratzt sie die Oberfläche und verfälscht die untere Höhenmessung.
Bei der konfokalen 3D-Laser-Scanning-Mikroskopie wird die Oberfläche mit einem Laser abgetastet; mit einem solchen berührungslosen Ansatz wird eine weitaus genauere Oberflächenprofilometrie erreicht (Abbildung 2). Darüber hinaus ist ein sichtbares Bild der Probe intuitiver, und mit dem LEXT OLS4100 lassen sich diese Informationen leicht zu einem Bericht zusammenfassen, der zusätzlich zu den numerischen Daten das Bild zeigt (Abbildung 2B).
Squaraines unter polarisiertem Licht
Diese Molekularfarbstoffe stellen eine nachhaltige Alternative für die aktive Schicht dar, hier mit dem LEXT OLS4100 von Olympus zwischen gekreuzten Polarisatoren dargestellt.
 Abbildung 1.A: Metallisch goldglänzende Einkristalle; |  Abbildung 1.B: Durch Rotationsbeschichtung aufgeschleuderte Schicht aus reinem Squarain, wobei sich durch die Kristallisation beim Glühen Sphärolith-Aggregate bilden. |
Exakte Metrologie von weichem Material
Die aus weichem organischem Material geformte aktive Schicht ist typischerweise 100 nm dick und wird durch Kontakt leicht beschädigt.
 Abbildung 2.A: Berührungslose Profilometrie, hier mit dem LEXT OLS4100 von Olympus |  Abbildung 2.B: Datenbericht |
Transparente Elektroden
Die Anode der Solarzelle besteht aus optisch transparenten, leitfähigen Elektroden, die gleichzeitig Licht für die aktive Schicht hindurchlassen. Die rasch abnehmende Ressource ITO ist derzeit der Industriestandard für transparente Elektroden. Darüber hinaus ist ITO ein sprödes Material, was seine Verwendung in mechanisch flexiblen Geräten einschränkt; die Suche nach einer leichten, billigen, flexiblen Alternative, die sich auch für die Massenproduktion eignet, geht daher weiter. Graphen ist eine potenzielle Alternative (Abbildung 3), aber die Flocken sind verhältnismäßig klein, was die Verwendung für größere Flächen einschränkt.
Eine vielversprechende Alternative ist ein Geflecht aus Silber-Nanodrähten (AgNWs), die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Ein zweites Projekt im Labor von Dr. Schiek konzentriert sich auf die Herstellung der AgNWs, die Weiterverarbeitung zu Elektroden und deren Integration in organische Solarzellen.
Eine optimale Leitfähigkeit erfordert eine gleichmäßige Verbindung zwischen der aktiven Schicht und der Elektrode und damit ein homogenes AgNW-Gitter. Da der Durchmesser der AgNWs mit 100 nm der Dicke der aktiven Schicht entspricht, müssen zudem diese Aggregationsbereiche und eine Perforation der aktiven Schicht vermieden werden. In der Praxis ist es jedoch problematisch, dies mit den derzeitigen Rotationsbeschichtungsverfahren für die gesamte Solarzelle zu erreichen. Die Bewertung der Oberflächenrauheit spielt hier eine zentrale Rolle bei der Optimierung des Syntheseprotokolls.
Bisher wurde vor allem das AFM-Verfahren zur Bewertung der Oberflächenrauheit des AgNW-Gitters verwendet, aber die Einführung des LEXT OLS4100 hat die Effizienz der Bewertung erheblich verbessert. Zunächst stellte Dr. Schiek fest, dass durch Erweiterung des Sichtfeldes mithilfe der Bildstitching-Funktion eine repräsentativere Probe der Elektrodenoberfläche betrachtet werden konnte. Das AgNW-Gitter mag in kleinerem Maßstab regelmäßig erscheinen, aber durch Bilder eines Quadratmillimeters mit höherer Auflösung (zehnmal größer als mit AFM möglich) lassen sich leicht Aggregationsbereiche identifizieren, die sonst übersehen worden wären (Abbildung 4A, B). Wie in Abbildung 4C zu erkennen, ermöglicht die Software auch die Visualisierung des Höhenprofils in 3D, was sowohl für die Analyse als auch für die Dokumentation nützlich ist. Darüber hinaus lässt sich der Tiefpassfilter von 80 µm auf 800 µm erhöhen und ermöglicht so eine aufschlussreichere Analyse der erhöhten Bereiche der Silber-Nanodrähte.
Es muss auch gesagt werden, dass AFM zeitaufwendig ist. Der Scan selbst dauert bis zu einer Stunde, zuvor muss das Gerät noch eingerichtet und auf Spitzen-Artefakte eingestellt werden. So kann es oft einen ganzen Tag dauern, bis ein einziges brauchbares Bild erfasst ist. Mit 3D CLSM erfolgt die Bilderfassung schnell und dank der speziellen Software auch für Studenten ohne Mikroskopieerfahrung sehr intuitiv. Beim Leistungsvergleich fanden die Forscher heraus, dass AFM und CLSM mit dem LEXT OLS4100 vergleichbare Ergebnisse erzielten, profitierten aber von der höheren Effizienz der Oberflächenrauheitsbewertung transparenter Elektroden.
Ein weiterer interessanter Aspekt dieses Projekts ist das weitreichende Potenzial transparenter Elektroden in optoelektronischen Anwendungen, beispielsweise LEDs und Touchscreens, wo die Entwicklung von Alternativen zu ITO ebenfalls Gegenstand intensiver Untersuchungen ist. In Zukunft könnten optoelektronische Schnittstellen sogar die Wiederherstellung der Sehkraft ermöglichen, wobei Netzhaut-Implantate mithilfe von Licht elektrische Signale erzeugen und die neuronale Aktivität stimulieren.
Eine Flocke aus mehreren Lagen Graphen, beschichtet mit einem lichtemittierenden organischen Halbleiter
 Abbildung 3 | Diese Struktur wird derzeit für organische Leuchtdioden untersucht, Graphen besitzt aber auch Potenzial als transparente Elektrode – auch wenn die Flocken für größere Solarzellenflächen zu klein sind. Visualisiert mit gekreuzten Polarisatoren |
Bewertung der Oberflächenrauhigkeit von Silber-Nanodraht-Gitterelektroden mit dem LEXT OLS4100 von Olympus
Die Bildstitching-Funktion erweitert das Sichtfeld, der Tiefpass-Sperrfilter ist auf 800 µm eingestellt.
 Abbildung 4A: Leichtere Analyse der Nanodraht-Verteilung im größeren Maßstab im Hellfeld |  Abbildung 4B: Höhen-Farbplot |
 Abbildung 4C: Aufbau organischer Solarzellen | |
Zusammenfassung
Die nachhaltige globale Stromversorgung bleibt eine der größten Herausforderungen der modernen Welt, und es ist eine spannende Zeit für die Erforschung innovativer Lösungen. Die Verwendung von allgemein verfügbaren Materialien verspricht zudem eine umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Solarzellenherstellung, wobei die Forschung durch die neuesten technischen Entwicklungen vorangetrieben werden.
Das konfokale 3D-Laser-Scanning-Mikroskop LEXT OLS4100 von Olympus bot der Forschungsgruppe von Dr. Manuela Schiek viele Vorteile gegenüber Verfahren mit mechanischem Taster, beginnend mit der berührungslosen Profilometrie zur genauen Stufenmessung der aktiven Schicht bis zur effizienteren Analyse durch schnelle und moderne Softwarefunktionen. Da alternative Energien in den kommenden Jahren immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses rücken, werden die neuen Lichtmikroskop-Technologien wahrscheinlich eine zentrale Rolle in der Solarzellenrevolution spielen.
Informationen zum Autor
Markus Fabich ist Produktmanager für materialwissenschaftliche Mikroskopie der Olympus SE & Co. KG (Hamburg, Deutschland).
Literaturnachweis
1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, T. J. Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
