Einleitung

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) hat sich als kritischer Weg für die urbane nachhaltige Energiewende etabliert. Unter verschiedenen Technologien stechen semitransparente organische Solarzellen (ST-OSCs) aufgrund ihrer einstellbaren Bandlücke und intrinsischen Semitransparenz als ideale Kandidaten für selbstversorgende Fenster hervor. Herkömmliche ST-OSCs stehen jedoch vor einem großen Engpass: Um Transparenz und Effizienz auszugleichen, muss die aktive Schicht extrem dünn bleiben (unter 80 nm), was große Herausforderungen für die großflächige industrielle Fertigung mit sich bringt. Kleine Dickenschwankungen können zu drastischen Leistungseinbußen führen, und die Zell-zu-Modul (CTM) Effizienzerhaltung für großflächige Module liegt typischerweise unter 56%.

Ein kürzlich in Nature Communications veröffentlichter Durchbruch von Teams des National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) und Kooperationspartnern adressiert dieses langjährige Problem. Durch die Kombination einer Donor-Verdünnungsstrategie mit Schlitzdüsenbeschichtung unter halogenfreien Lösungsmittelbedingungen stellten die Forscher erfolgreich ST-OSCs mit bemerkenswerter Dickentoleranz her. Selbst mit einer ultradicken aktiven Schicht von 301 nm behielten die Bauelemente eine hohe Lichtnutzungseffizienz (LUE), und 100 cm² Module erreichten ein CTM-Verhältnis von etwa 85%.

Leistungssprung bei der Lichtnutzungseffizienz

In BIPV-Anwendungen stehen semitransparente Zellen seit langem vor einem grundlegenden Zielkonflikt: Eine Erhöhung der Dicke der aktiven Schicht verbessert die Photonenabsorption und die Leistungsumwandlungseffizienz (PCE), reduziert jedoch die durchschnittliche sichtbare Transmission (AVT) erheblich. Die Industrie bewertet ST-OSCs anhand der Lichtnutzungseffizienz (LUE = PCE × AVT) als Schlüsselkennzahl.

Diese Studie stellt eine Donor-Verdünnungsstrategie mit einem D:A-Verhältnis von 1:3 vor, die die faserartige Netzwerkstruktur der Akzeptormaterialien unter spezifischen Verarbeitungsbedingungen nutzt. Dieser Ansatz ermöglicht erhebliche Erhöhungen der aktiven Schichtdicke bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung hoher Transparenz.

Die beobachteten Daten sind beeindruckend. Bei einer Erhöhung der Dicke der aktiven Schicht von 119 nm auf 301 nm behielten die auf PM6:Qx-p-4Cl basierenden Zellen eine LUE von 3,02%, was eine außergewöhnliche Dickentoleranz demonstriert. Dies löst einen kritischen Schmerzpunkt bei der großflächigen Verarbeitung, bei der die Kontrolle dünner Schichten bekanntermaßen schwierig ist.

Abbildung 1 zeigt die chemischen Strukturen und Absorptionsspektren des PM6:Qx-p-4Cl-Systems, Leistungstrends über verschiedene D:A-Verhältnisse für opake und semitransparente Bauelemente und demonstriert, wie das donor-verdünnte System herkömmliche Systeme in Bezug auf Transmissionserhalt und LUE-Vorteil über verschiedene Dicken hinweg übertrifft.

Mechanismus hinter der Dickentoleranz

Warum löst der Donor-Verdünnungsansatz das Problem der Dickenempfindlichkeit? Das Forschungsteam führte gründliche Untersuchungen mittels Morphologiestudien und ultraschneller Spektroskopie durch.

In Bezug auf morphologische Merkmale fördert die Schlitzdüsenbeschichtung unter spezifischen Bedingungen die ideale Aggregation von Akzeptormolekülen und bildet kontinuierliche, ineinandergreifende fibrillenartige Netzwerke. Diese Struktur gewährleistet einen reibungslosen Ladungstransport selbst bei extrem niedrigem Donorgehalt.

Für die Exzitonendynamik ergaben experimentelle Messungen, dass der Qx-p-4Cl-Akzeptor eine bemerkenswert lange Exzitonendiffusionslänge von etwa 22,34 nm besitzt. Dies stellt sicher, dass Exzitonen auch in dicken, verdünnten Systemen effektiv Grenzflächen erreichen und dissoziieren können.

Die Analyse der Ladungserzeugung mittels transienter Absorptionsspektroskopie (TA) bestätigte, dass das System über verschiedene Dicken und Verhältnisse hinweg eine effiziente und stabile Ladungserzeugung aufrechterhält.

Abbildung 2 zeigt GIWAXS- und AFM-Charakterisierung, die die Fibrillennetzwerkstruktur offenbart, sowie transiente Absorptionsspektren und kinetische Kurven, die eine robuste Ladungserzeugung und -transport im donor-verdünnten System demonstrieren.

Filmbildungsdynamik: Schlitzdüse vs. Spincoating

Die Forschung enthüllte weiterhin das physikalische Wesen, warum die Schlitzdüsenbeschichtung traditionelle Spincoating-Verfahren übertrifft.

Im Gegensatz zum Spincoating, bei dem Filme in übersättigten Zuständen einer explosionsartigen Aggregation unterliegen, induziert die Schlitzdüsenbeschichtung auf beheizten Substraten bereits in der flüssigen Phase eine geordnete Akzeptoraggregation. Dies verändert grundlegend den Morphologieentwicklungspfad.

Die Viskositätskontrolle spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Die Donor-Verdünnung reduziert die Lösungsviskosität, beschleunigt die Lösungsmittelverdunstung und verlängert die Kristallisationszeit nach der Filmverdünnung. Dies unterdrückt eine übermäßige Akzeptoraggregation bei großen Dicken.

Diese einzigartige Filmbildungsdynamik stellt sicher, dass die Filmqualität während der großflächigen Beschichtung weniger empfindlich auf Prozessparameterschwankungen reagiert, ein kritischer Faktor für die Konsistenz der industriellen Produktion.

Abbildung 3 zeigt die In-situ-UV-Vis-Absorptionsspektroskopie zur Überwachung des Akzeptoraggregationsprozesses sowie vergleichende Schemata der Filmbildungsmechanismen unter Spincoating versus Schlitzdüsenbeschichtung, wobei die kritische regulatorische Rolle beheizter Substrate auf die Morphologieentwicklung hervorgehoben wird.

Industrielle Perspektiven und BIPV-Anwendungen

Unter Nutzung der Verarbeitungsvorteile aus der hohen Dickentoleranz gelang es dem Forschungsteam, die Technologie in praktische Anwendungen zu überführen.

Auf 100 cm² Modulen erreichten sie 10,40% PCE und 3,32% LUE mit einem CTM-Verhältnis von 85%, was einen neuen Maßstab für große semitransparente Module setzt.

Zur Demonstration der BIPV-Funktion baute das Team ein energieautarkes Hausmodell mit einem 600 cm² großen, stromerzeugenden Fenster. Experimente belegten, dass das System LCD-Displays betreiben und Lithiumbatterien laden kann.

Die Energieeinsparungen sind ebenso beeindruckend. Da die aktive Schicht 88,28 % der Nahinfrarotstrahlung blockiert, senkten die Zellenfenster die Innentemperatur im Vergleich zu gewöhnlichen Glasfenstern um etwa 9,2 °C, was den Energieverbrauch von Gebäuden deutlich reduziert.

Stabilitätstests zeigten, dass die Geräte nach 1000 Stunden Außenbewitterung über 82 % ihrer anfänglichen Effizienz behielten, was ein hervorragendes Kommerzialisierungspotenzial belegt.

Abbildung 4 zeigt die 100 cm² Modulstruktur und CTM-Effizienzstatistiken sowie BIPV-Anwendungsdemonstrationen, darunter den Betrieb energieautarker elektronischer Geräte, Energiespeicherung und die signifikanten Kurven des thermischen Isolationskühleffekts.

Fazit und Ausblick

Diese Forschung liefert durch mehrere wichtige Beiträge entscheidende Unterstützung für organische Photovoltaik in den Bereichen grüne Gebäude und Energieinternetanwendungen.

Erstens senkt sie die Fertigungsbarrieren, indem sie die Abhängigkeit von ST-OSCs von ultradünnen Schichten aufhebt. Eine hohe Dickentoleranz führt direkt zu höheren Produktionsausbeuten und niedrigeren Kosten.

Zweitens ermöglicht sie eine mehrdimensionale Kohlenstoffreduktion. ST-OSC-Fenster tragen durch Photovoltaik-Erzeugung zu grünem Strom bei und reduzieren gleichzeitig durch hervorragende Wärmedämmung den passiven Energieverbrauch von Gebäudeklimaanlagen.

Drittens zeigt die Technologie eine breite Anwendbarkeit. Die Donor-Verdünnungsstrategie in Kombination mit halogenfreier Lösungsmittelverarbeitung entspricht den Trends der grünen Fertigung und beseitigt Hindernisse für den Übergang der organischen Photovoltaik zu industriellen Produktionslinien.

Während die Welt auf Kohlenstoffneutralität zusteuert, verwandelt diese intelligente Energielösung, die Stromerzeugung, Energieeinsparung und Ästhetik vereint, jedes Gebäude in ein mikro-grünes Kraftwerk.

Originalartikel: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

Ooitech Perspektive

Ooitech ist überzeugt: Donor-Verdünnung in Kombination mit Schlitzdüsenbeschichtung durchbricht das Dicken-Toleranz-Engpass von semitransparenten organischen Solarzellen und ebnet einen realistischen Weg für die BIPV-Industrialisierung und großflächige kommerzielle Nutzung.