Allylrhodanin-behandelter All-Kleinst-Molekül organischer Solarzelle erzielt einen Effizienz-Durchbruch von 18,43 %

Intelligentere Solarzellen für den Alltag

Solarmodule tauchen auf Dächern, Rucksäcken und sogar Fenstern auf – viele sind jedoch noch schwer, starr und teuer in der Herstellung. Diese Studie untersucht eine andere Art von Solartechnik, die aus winzigen organischen Molekülen besteht und wie Zeitungstinte auf dünne, flexible Folien gedruckt werden kann. Durch sorgfältiges Feinabstimmen der Anordnung dieser Moleküle beim Trocknen bringen die Forschenden eine vielversprechende Art organischer Solarzellen zu rekordverdächtiger Effizienz und rücken ultraleichte, biegsame Solarenergie näher an die praktische Anwendung.

Warum flexible Solarmodule schwer zu perfektionieren sind

Im Unterschied zu den Siliziummodulen auf den meisten Dächern verwenden organische Solarzellen kohlenstoffbasierte Moleküle, die in Flüssigkeit gelöst und zu einem dünnen Film verteilt werden. Versionen mit ausschließlich Kleinstmolekülen bieten große Vorteile für die Massenproduktion: Ihre Struktur ist klar definiert, sie lassen sich leicht reinigen und verhalten sich von Charge zu Charge zuverlässig. Es gibt jedoch einen Haken. Diese kleinen Moleküle neigen stark zur Kristallisation und trennen sich im Film zu großen „Inseln“. Da sich durch Licht erzeugte Ladungen nur kurze Strecken bewegen können, bevor sie verloren gehen, führen zu große Inseln dazu, dass viele Ladungen die Elektroden nicht erreichen — das begrenzt Stromstärke und Gesamtwirkungsgrad.

Ein winziges Helfermolekül greift ein

Das Team löst dieses Problem, indem es eine winzige Menge einer Hilfssubstanz namens 3‑allylrhodanin zu einer Mischung aus einem Donor-Molekül (MPhS-C2) und einem Akzeptor-Molekül (N3) gibt. Dieses Hilfsmittel ist ein „flüchtiges festes Additiv“: Es tritt beim Beschichten vorübergehend in die Mischung ein und verdampft dann während eines kurzen Erhitzungsschritts vollständig, sodass im fertigen Bauteil keine Rückstände verbleiben. Obwohl seine Struktur einem Teil des Donors ähnelt, zeigen detaillierte Rechnungen und Kernspinresonanz‑Experimente, dass es tatsächlich eine stärkere Wechselwirkung mit dem Akzeptor bevorzugt. Diese selektiven Anziehungen ermöglichen es dem Additiv, die Anordnung beider Komponenten zu lenken, während der nasse Film trocknet.

Die Führung des Films beim Trocknen

Mithilfe zeitaufgelöster optischer Messungen, Röntstreuung, Rasterkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie beobachten die Forschenden die Formung des Films in Echtzeit. Normalerweise kristallisiert der Donor zuerst und drängt den Akzeptor in große, grobe Bereiche. In Gegenwart des Additivs verändert sich die Zeitabfolge leicht: Es verkürzt das Zeitfenster, in dem der Donor übermäßig wachsen kann, verzögert und mäßigt die Kristallisation des Akzeptors und verbessert, wie sich beide Materialien über die darunterliegende Kontaktlage verteilen. Das Ergebnis ist ein glatterer Film mit deutlich kleineren, gleichmäßiger verteilten Domänen und einer homogeneren vertikalen Struktur von oben nach unten — ein fein verflochtenes Netzwerk statt Klumpen und Lücken.

Länger lebende Ladungen und höhere Leistung

Diese verfeinerte innere Struktur bringt klare elektrische Vorteile. Messungen der Lichtabsorption über die Filmtiefe zeigen, dass Exzitonen — gebundene Ladungspaare, die durch Licht entstehen — gleichmäßiger und näher an den Elektroden erzeugt werden, sodass sie geringere Strecken zurücklegen müssen, bevor sie getrennt werden. Tests des Ladungstransports zeigen höhere und ausgeglichenere Mobilitäten für Elektronen und Löcher, weniger Fallen, in denen Ladungen steckenbleiben, und weniger Rekombination, bei der sie sich gegenseitig vernichten. Ultrakurzzeit‑Laserspektroskopie bestätigt, dass sich Ladungen schneller trennen und länger leben, bevor sie rekombinieren. Zusammengenommen erhöhen diese Effekte die Stromdichte und insbesondere den Fill‑Factor, was zu einer Leistungswandlungswirkungsgrad von 18,43 Prozent führt — unabhängig zertifiziert mit 18,16 Prozent — der bislang höchsten für diese Klasse von zwei‑komponentigen Kleinstmolekül‑organischen Solarzellen.

Was das für zukünftige Solarfilme bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft: Ein sorgfältig ausgewähltes temporäres Additiv kann wie ein „Bauleiter“ für die aktive Schicht einer flexiblen Solarzelle wirken. 3‑allylrhodanin verbleibt nicht im Bauteil, führt aber während seiner Anwesenheit die Bausteine in die gewünschte Anordnung und erzeugt eine feinere innere Textur, die Licht‑erzeugten Ladungen das Entkommen und die Nutzung als Elektrizität erleichtert. Die Studie widerlegt außerdem die vereinfachte Annahme, ein Additiv wirke hauptsächlich mit dem Material, dem es am ähnlichsten ist; seine Wirksamkeit hängt vielmehr von einem feinen Gleichgewicht der Anziehungskräfte zu allen Komponenten ab. Diese Einsicht in das Design sollte Forschenden helfen, noch bessere Additive zu entwickeln und gedruckte, leichte organische Solarmodule näher an die für den Alltagsbetrieb erforderlichen Wirkungsgrade zu bringen.

Zitation: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Schlüsselwörter: organische Solarzellen, Kleinstmolekül-Photovoltaik, Morphologie-Kontrolle, feste Additive, flexible Solarmodule