Optimierung amphiphiler organischer Moleküle für selbstorganisierende photovoltaische Materialien

• Antragsteller: Dr. Stefan Kraner; Professor Dr. Ullrich Scherf
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419282603

Die organische Photovoltaik stellt eine kostengünstige, erneuerbare und daher zukunftsgerichtete Energieversorgung dar. Für eine großflächige Nutzung organischer Photovoltaik sind die Umwandlungseffizienzen dieser Technologie allerdings noch zu klein. Der Grund für die niedrige Effizienz liegt hauptsächlich in den hohen Spannungsverlusten, die durch den erforderlichen Donator-Akzeptor-Übergang und eine zu geringe Ladungsträgermobilität zustande kommen.In diesem Projekt wird ein Konzept geprüft, das eine ideale Morphologie für organische Solarzellen gewährleisten soll. Der Kern des Konzepts besteht in der Selbstorganisation amphiphiler organischer Donator-Akzeptor-Moleküle zu einer phasenseparierten Doppelschicht. Die Donator- und Akzeptor-Phase weist dabei eine kristalline Struktur auf, welche die Ladungsträgermobilität um ein Vielfaches verbessert. Zudem ist der Donator-Akzeptor-Übergang intramolekular über ein Abstands-Molekül definiert und ermöglicht dadurch die Optimierung des Donator-Akzeptor-Übergangs auf molekularer Ebene. Diese ideale Morphologie führt voraussichtlich zu Umwandlungseffizienzen, die das bisher angenommene Maximum von 15 % signifikant übersteigen.Das Projekt untersucht und testet die Machbarkeit der Selbstorganisation von amphiphilen Donor-Akzeptor-Molekülen zu Doppelschichten. Dazu werden zuerst die Komponenten des amphiphilen Donor-Akzeptor-Moleküls, das aus drei konjugierten Teilmolekülen (amphiphile Triade) besteht, untersucht. Jedes Molekül wird durch Molekulardynamiksimulationen bewertet. Die geeignetsten Moleküle werden synthetisiert und anschließend prozessiert und charakterisiert. Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen wird die Struktur der amphiphilen Moleküle in Doppelschichten berechnet, wodurch der Aufwand für die chemische Synthese deutlich reduziert wird. Die Morphologie der synthetisierten Moleküle wird dann in Lösung oder in dünnen Filmen mittels "small-angle X-ray scattering" (SAXS), "grazing incidence small-angle X-ray scattering" (GISAXS), "grazing incidence wide-angle X-ray scattering" (GIWAXS), Rasterelektronenmikroskopie und "atomic force microscopy" (AFM) untersucht. Diese Strukturinformationen ermöglichen, zusammen mit den molekulardynamischen Simulationen, eine sukzessive und effiziente Verbesserung des amphiphilen Donor-Akzeptor-Moleküls. Die Transporteigenschaften von Elektronen und Löchern in dünnen organischen Filmen werden mittels der organischen Feldeffekttransistor (OFET)-Messmethode untersucht, wobei vielversprechende organische Materialien letztendlich in Solarzellen appliziert und charakterisiert werden. Das Ziel des Projektes ist es, das Potenzial des eingeführten molekularen Konzepts für hocheffiziente und kostengünstige Solarzellen zu evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen