Entwicklung und Erforschung von effizienten und strahlungsresistenten organischen Solarzellen für Raumfahrtanwendungen basierend auf einer KI angeleiteten Hochdurchsatz Forschungsstrategie

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph J. Brabec
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464963576

Kommunikationstechnologien im Weltraum sind ein sich rasch entwickelndes Forschungsfeld. Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen werden durch Photovoltaikpaneele betrieben, deren Kennzahlen durch Gewicht und Platzverbrauch beim Transport und durch die Strahlungshärte im Betrieb bestimmt sind. Die derzeitige Technologie stützt sich auf anorganische Module, die ein spezifisches Gewicht von etwa 1 W/g erreichen. In diesem Projekt werden die Grundlagen für eine flexible und effiziente organische Solartechnologie für Weltraumanwendungen entwickelt, basierend auf der Erforschung der Designregeln für strahlungsresistente organische Halbleiter. Organische Solarzellen mit einer spezifische Leistung von über 20 W/g (Module mit > 5W/g) als auch einer exzellenten Strahlungshärte entsprechend einer Lebensdauer von bis zu 40 Jahren in erdnahen Umlaufbahnen sollen erforscht werden. Dieses Ziel wird durch die Zusammenarbeit von zwei erfahrenen Gruppen mit synergistischer Kompetenz im Bereich der organischen Synthese und der organischen Photovoltaik erreicht. Die Zielerreichung soll durch den Einsatz von KI gesteuerter Hochdurchsatzforschung beschleunigt werden. Die Herstellung einer großen Bibliothek von organischen Elektronendonatoren- und -akzeptoren mit systematischen Strukturvariationen wird vorgeschlagen. Die Identifizierung der detaillierten Photodegradationsmechanismen dieser Bibliothek unter Gammastrahlung (Radikalbildung, Vernetzung, Fragmentierung und Selbstheilung) ist ein zentrales Ziel des Antrags. Unter Verwendung modernster maschineller Lerntechniken werden jene Struktureigenschaften identifiziert, die besonders anfällig für Photodegradation sind. Parallel dazu sollen strukturelle Motive identifiziert werden, die Selbstheilung fördern. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollen optimierte Donator- und Akzeptormaterialien mit maximaler Strahlungshärte und höchster Photovoltaikeffizienz entwickelt und erforscht werden. Neben der Erfassung der Lebensdauer dieser Solarzellen unter beschleunigender Bestrahlung werden auch die passiven Komponenten der Solarzellen (Elektroden, Verpackungsmaterialien, Substrate) auf Strahlungsresistenz untersucht und optimiert.Das Konsortium verfügt über das notwendige Know-how um die Ziele zu erreichen und kann auf frühere erfolgreiche Kooperationen zurückgreifen. Das Team von Pavel Troshin ist bekannt für Design und Synthese von organischen Halbleitermaterialien und für die Identifikation von Degradationspfaden. Die Gruppe von Christoph Brabec ist führend auf dem Gebiet der Hochdurchsatz-Bauelementforschung und außerordentlich erfahren in der Charakterisierung und Herstellung von stabilen und effizienten gedruckten Solarzellen. Mit der Solarfabrik der Zukunft, angeleitet von Christoph Brabec und gemanagt von Hans-Joachim Egelhaaf, wird aktuell der Wirkungsgrad Weltrekord für organische Photovoltaik-Modulen gehalten. In diesem Projekt vereinen die beiden Forscher ihre Kapazitäten auf einem neuen Forschungsfeld.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavel A. Troshin, bis 3/2022