Der Energiebedarf der Welt wächst schnell, daher ist es eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen, Energiequellen oder -techniken zu entwickeln, um diesen zukünftigen Bedarf zu decken. Solarzellen haben Aufmerksamkeit als saubere Energiequelle erregt, da sie einerseits die Fähigkeit besitzen Licht in Strom umzuwandeln und andererseits einfach zu installieren sind. Die anorganischen Silizium-Solarzellen dominieren nach wie vor den Markt, da Silizium in der Halbleiterindustrie im Überfluss vorhanden ist, sie eine hohe Effizienz sowie eine hohe Stabilität aufweisen, was zu einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis führt. Rasche Fortschritte haben zu hohen Wirkungsgraden von Solarzellen der dritten Generation wie Perowskit-Zellen geführt, die nun mit Siliziumsolarzellen vergleichbar sind. Auch die organische Photovoltaik holt in Bezug auf den Wirkungsgrad auf. In den letzten 5 Jahren hat sich dieser aufgrund neuer organischer Halbleitermaterialien von 12 % auf über 18 % entwickelt. Diese Leistungssteigerung der letzten Jahre kann auf die Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) zurückgeführt werden, die in der Regel aus einem gekoppelten Ringsystem bestehen. Die breite spektrale Absorption der NFA ist vorteilhaft im Vergleich zu den sonst üblichen Fulleren-Akzeptoren, ebenso wie der höhere Extinktionskoeffizient und die Anpassbarkeit der Energieniveaus für maßgeschneiderte Donor/Akzeptor-Paare. Einfachere und umweltfreundliche Synthesewege, die geringere Kosten verursachen, sind daher noch nötig für einen Durchbruch organischer Solarzellen.

Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) sind ein vielseitiges Material mit zahlreichen potenziellen Funktionen in organischen Photovoltaikzellen. Im Prinzip können alle Elemente einer Solarzelle, von der lichtempfindlichen Komponente bis hin zu selektiven Kontakten für bestimmte Ladungsträger, Passivierungsschichten und den transparenten Elektroden, durch Kohlenstoffnanoröhren ersetzt werden. Die Hindernisse für ihre Anwendung in der Industrie schwinden schnell z.B. durch die fortgeschrittenen Dispergier- und Sortierungstechniken, die die Ausbeute und Reinheit einzelner chiraler Spezies drastisch erhöhen. Derzeit ist die Polymersortierung in Toluol ein einfaches Verfahren, mit dem eine hohe Reinheit erreicht wird, aber die Ausbeute ist gering. Die wässrige Sortierung hingegen ermöglicht den Zugang zu viel mehr chiralen Spezies und höheren Ausbeuten.

Die schmalen Absorptionsbanden und die anpassbaren elektronischen Eigenschaften von CNTs sind für transparente Elektroden und Schichten zum Transport von Löchern nützlich. Insbesondere CNTs als Passivierungsschicht und als loch-selektiver Kontakt in der Siliziumsolarzelle haben sich bereits als wettbewerbsfähig erwiesen im Vergleich zu aktuellen industriellen Zellen. Für CNTs in der aktiven Schicht von organischen Solarzellen bestehen jedoch noch viele Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Diese stehen vor allem im Zusammenhang mit der Verbesserung der Lichtabsorption der Solarzellen und dem damit verbundenen geringen Wirkungsgrad. In der Dissertation wurden verschiedene Arten von SWCNTs getestet, um zu zeigen, dass es möglich ist, das gesamte Spektrum halbleitender Kohlenstoff-Nanoröhren (kleiner und großer Durchmesser) zu verwenden, und dass Strategien zur Verringerung der Exzitonenfallen in Mischungen mehrerer Arten erforderlich sind. Die interessanten Fragen für CNT-basierte Solarzellen sind, welche Art von Nanoröhren sind in der Photovoltaik vorteilhaft und wie können diese in ein Zelle integriert werden.

Die Verbesserung der Lichtabsorption von CNT/C60-Solarzellen ist sehr gefragt und kann durch den Austausch etablierter Materialien wie z.B. Fulleren-Akzeptoren erreicht werden oder durch die Zugabe von Materialien wie Farbstoffen, die Photonen in anderen Spektralbereichen absorbieren. In diesem Zusammenhang können CNTs als Hohlraum für Farbstoffe verwendet werden, die wiederum ihre absorbierte Energie auf das Nanoröhrchen übertragen müssen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Der Ersatz von Fulleren-Akzeptoren durch Nicht-Fulleren-Akzeptoren dient dem Zweck einer breiteren Lichtabsorption und kann gleichzeitig eine Lösung für das Problem bieten, Kohlenstoff-Nanoröhren mit größerem Durchmesser zugänglicher zu machen.

Dennoch ist die Dicke der CNT-Schicht durch die kurze Diffusionslänge der Exzitonen begrenzt. In Anbetracht dieser Einschränkung ist es wichtig, die Forschung an gemischten Systemen fortzusetzen, um die Morphologie zu optimieren und die Rekombination zu unterdrücken. Die Lichtabsorption solcher Bulk-Heterojunctions kann durch den Wechsel zu breitbandigen Komponenten oder die Zugabe eines dritten Materials vervollständigt werden, das im Idealfall eine Kaskade für den Elektronentransfer ermöglicht. Diese Strategie hat eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, wettbewerbsfähige Effizienzen zu erreichen, da diese ternären Systeme auf etablierten Materialkombinationen aufbauen. Alternativ können CNT-basierte Solarzellen mit etablierten Photovoltaikzellen zu einem Tandem kombiniert werden, um deren Absorption in den Infrarotbereich zu erweitern.