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Letzte Aktualisierung: 18.03.2024
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Experten-Überblick zur organischen Solarzellen-Technologie
Wie funktioniert eine organische Solarzelle? Welche Arten gibt es? Wo liegen die Vorteile, wo die Nachteile? Wer stellt organische Solarzellen her? Was muss verbessert werden?
Mit "organischen Solarzellen" (engl. "Organic Photovoltaics" kurz: OPV) sind Solarzellen gemeint, bei denen sich über organische Moleküle oder auch Polymere Solarstrom erzeugen lässt. Sie bestehen aus Werkstoffen der organischen Chemie, d.h. Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Daher werden sie auch Kunststoff- oder Plastiksolarzellen genannt. Die Elektroden bestehen aus Metallen oder anorganischen Oxiden, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO). Zur Herstellung Organischer Solarzellen werden schnelle und effiziente Rolle-zu-Rolle Verfahren genutzt.
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Arten von organischen Solarzelltechnologien im Überblick
Organische Feststoff-Solarzellen
Unter dem Schlagwort "organische Photovoltaik" versteht man gemeinhin die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie in sogenannten "organischen Feststoff-Solarzellen". Die eigentliche Stromerzeugung findet dabei an der Grenzfläche von Donor- und Akzeptormaterial statt. Deshalb werden auch organische Feststoff-Solarzellen als „Heterojunction-Zellen" bezeichnet. Im Bereich dieser Feststoffzellen unterscheidet man weitergehend „Small Molecule Solar Cells“ (SMSC) und Solarzellen mit großen makromolekularen Materialien.
Während bei SMSC die niedermolekularen Verbindungen in der Regel durch Hochvakuum-Sublimation in dünnen Schichten auf den Träger aufgebracht werden, werden makromolekulare Materialien als Lösung auf dem Substrat abgeschieden. Dabei kommt häufig das Spin-Coating-Verfahren zum Einsatz, bei dem die Lösung auf ein rotierendes Substrat getropft wird. Daneben kommen auch verschiedene Druckverfahren zum Einsatz, die sowohl strukturierte als auch großflächige Materialabscheidungen ermöglichen.
Neuere Forschungen widmen sich metall-organischen Gerüstverbindungen, sogenannten "Metal-Organic Frameworks" (MOF). Das Material ist hoch-elastisch und könnte auch als flexible Beschichtung von Kleidung und verformbaren Bauteilen genutzt werden. Die metallorganischen Verbindungen bestehen dabei aus zwei Grundelementen, metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen, die wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt werden. In ersten Versuchen kamen Porphyrine als Bausteine zum Einsatz, die neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern eine hohe Ladungsträger-Beweglichkeit aufweisen.
Experten-Wissen: OLEDs - Abkürzung für "Organic Light-Emitting Diode" – wie sie in kleinen Displays wie Handys oder portablen Geräten vorkommen und organische Solarzellen sind in ihrem Aufbau fast identisch und funktionieren vom Prinzip her sehr ähnlich. Der einzige Unterschied ist, dass bei einer OLED die Kohlenstoffverbindungen die lichtabgebende Schicht bilden. Bei der Solarzelle ist diese Schicht dagegen lichtabsorbierend.
Organische Farbstoffsolarzellen
Neben der Feststoffzelle zählt die Photosensibilisierungszelle „Dye-Sensitized Solar Cell" (DSSC) zu einer weiteren organischen Photovoltaik-Technologie. Hierbei wird ebenfalls Licht durch organische Moleküle absorbiert, wobei anorganische Nanopartikel, häufig Titandioxid, als Elektronenakzeptor fungieren, an deren Oberfläche organische Farbstoffmoleküle verankert sind. Zumeist werden Ruthenium-Komplexe verwendet, zumeist bis(Tetrabutylammonium) cis di(Isothiocyanato) bis(2,2´-Bipyridyl-4,4´Carboxylat)-Ruthenium (II), auch kurz als N719 bezeichnet. Werden die Elektronen nun energetisch angeregt, so werden diese vom Farbstoff auf den anorganischen Partner übertragen. Im Vergleich zu organischen Feststoff-Solarzellen erreichen DSSC nach derzeitigem Stand höhere Wirkungsgrade von mehr als 11 %. Hierfür muss jedoch ein flüssiger Elektrolyt mit dem Redoxpaar Iodid/Iod für den Ladungstransport innerhalb der Farbstoffsolarzelle eingesetzt werden, was wiederum zu weiteren technischen Probleme insbesondere bei der Langzeitstabilität führt.
Vor- und Nachteile von organischen Solarzellen
Vorteile
Organische Solarzellen bieten im Vergleich zu herkömmlichen auf Silizium basierenden, anorganischen Solarmodulen eine Reihe von Vorteilen. Zwar erreichen herkömmliche Solarmodule mit anorganischen Halbleitermaterialienhöhere Wirkungsgrade. Bei monokristallinen Modulen liegen diese über 20 Prozent. Ihre Herstellung ist jedoch sehr kosten- und energieintensiv. Seit Jahren werden daher organische Materialien für die Herstellung von Solarzellen erforscht. Diese sind leicht, biegsam und aufgrund ihrer geringen Herstellungskosten deutlich preiswerter.
Zudem benötigen sie nur wenig Material für ihre Herstellung. Sie lassen sich sowohl auf starren als auch auf flexiblen Trägermaterialien auftragen und können unter geringem Energieaufwand hergestellt werden. Für sie wird kein Hochtemperaturverfahren benötigt. Das ermöglicht eine deutlich energieeffizientere Herstellung der Solarzellen. Ebenso wird auf den Einsatz von gefährlichen Stoffen, aufgrund der Auflagen der EU-Richtlinie 2002/95/EG (RoHS), verzichtet. Organische Solarzellen sind damit sehr umweltfreundlich.
Sie verfügen über ein sehr breites Lichtspektrum und ein gutes Schwachlichtverhalten. Auch im Vergleich zu konventionellen Dünnschichtsolarzellen bieten die Organischen Solarzellen Vorteile aufgrund der Entwicklung hocheffizienter Materialien und verbesserter Fertigungstechniken. Die verwendeten Materialien verfügen über ein sehr gutes Absorbtionsverhalten.
Wegen ihrer Eigenschaften bieten Organische Solarzellen viele Einsatzmöglichkeiten. Sie können in Gebäude und Fassaden integriert werden. Aufgrund ihrer Transparenz lassen sie sich ebenso in Glasflächen einsetzen. Sie sind universell einsetzbar und können die Sonnenenergie dort einfangen und nutzen, wo sie gerade benötigt wird.
Interessante Anwendungsfelder bieten organische Solarzellen daher auch für die Baumaterial- und Automobilindustrie. Konkrete Anwendungsoptionen wären beispielsweise der Einsatz in lichtdurchlässigen Fassaden oder in der Autoverglasung durch die Verwendung von transparenten Solarfolien.
Da organische Solarzellen auch unter Schwachlicht-Bedingungen hohe Wirkungsgrade erzielen, wird der Technologie auch eine hohe Bedeutung als Stromquelle im Internet der Dinge (IoT) beigemessen, da sie damit besonders effizient in Innenräumen und unter künstlichen Lichtbedingungen sei.
Nachteile
Der Wirkungsgrad von Organischen Solarzellen ist im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen noch sehr gering. In Laborsituationen wurden zwar Wirkungsgrade von 12 Prozent erreicht. Diese ließen sich jedoch nur in Einzelfertigung und unter Testbedingungen realisieren. Im Schnitt erreichen die organischbasierten Solarzellen einen Wirkungsgrad von 7 Prozent. Bei Massendrucken liegt er jedoch deutlich darunter.
Organische Solarzellen besitzen zudem einen hohen Flächenbedarf. Ebenso ist ihr Verhalten auf Wettereinflüsse und Langzeitbestrahlung bislang noch ungenügend getestet. Somit gibt es vor allem zwei Herausforderungen für die organische Photovoltaik zu meistern: Zum einen die Effizienz bei der Stromerzeugung deutlich zu erhöhen und zum anderen die Lebensdauer der Module zu verbessern.
Weiterer Nachteil ist, dass häufig die transparente, leitfähige Schicht von Elektrodenfolien auf Basis des seltenen Schwermetalls Indium hergestellt wird.
Herstellung und Effizienz von organischen Solarfolien
Bei der organischen Photovoltaik handelt es sich um eine Zukunftstechnologie. Derzeit gibt es nur wenige Hersteller am Markt. Hierzu zählen u.a.:
- ARMOR solar power films
- Heliatek
Die Dresdner Heliatek GmbH ist eine Ausgründung aus der TU Dresden und der Universität Ulm. Es entwickelt und erforscht seit 2006 leichte und flexible Solarfolien im Bereich der organischen Photovoltaik auf Basis kleiner Moleküle.
Heliatek stellt kohlenstoffbasierte organische Solarzellen mit dotierten Transportschichten her. Mittels dieser patentierten Tandemzellen-Technologie ist es möglich, ein sehr breites Sonnenspektrum in extrem dünnen Schichten effizient zu absorbieren. Aktuell hält Heliatek den Weltrekord für organische Solarzellen mit einer Zelleffizienz von 13,2% für opake (nicht transparente) organische Solarzellen. In der laufenden Produktion erreicht Heliatek eine Zelleffizienz von 7 bis 8%. Die neueste Entwicklung ermöglicht darüber hinaus verschiedene Transparenzgrade von bis zu 50% mit einer Effizienz über 6%. Die Lebensdauer der kleinen Moleküle soll laut Hersteller bei über 25 Jahren liegen.
Die Heliatek-Solarfolien "HeliaFilm" sind in 0,3 m Breite und bis zu 2 m Länge standardmäßig erhältlich und können sowohl an der Front- als auch an der Rückseite kontaktiert werden. Farbe und Transparenz des HeliaFilm kann durch Modifizieren der chemischen Absorber und des Filmaufbaus erreicht werden. Im Labor wurde bereits 50 % Lichtdurchlässigkeit bei Wirkungsgraden bis zu 6 % erzielt.
Organische Solarzellentechnologie in der weiteren Erprobung
Noch besteht hinsichtlich des Einsatzes organischer Solarzellen ein hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf.
Daher wurde von 2015 bis 2017 im Forschungsprojekt "ALABO" ein industrietauglicher Laserprozess entwickelt, um Solarzellen zu verschalten, die direkt auf der Barrierefolie aufgedampft werden. Durch die Rolle-zu-Rolle-Direktverkapselung kann die Lebensdauer der Solarzellen deutlich gesteigert und gleichzeitig das Volumen der funktionalen Folien reduziert werden. Durch den effizienteren Materialeinsatz werden bei der ohnehin schon energieeffizienten Solarzellenproduktion weitere Ressourcen eingespart, was sich letztendlich positiv auf den Produktpreis auswirkt.
Auch das Fraunhofer-Institut für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente (COMEDD) erforscht organische Solarzellen für unterschiedliche Anwendungen. Das Institut verwendet zur Herstellung seiner organischen Solarzellen das PIN-Konzept, welches auch für die OLED-Technologie verwendet wird. Hierbei wird zwischen einer lochleitenden Schicht die organische Absorberschicht eingebettet. Die Absorberschicht besteht aus einem Elektronen-Akzeptor und einem Elektronnen-Donor. Auf die organischen Schichten wird eine metallische Deckelektrode als Kathode aufgebracht, mit der sich Strom erzeugen lässt.
Bisher wurde die transparente, leitfähige Schicht von Elektrodenfolien auf Basis des seltenen Schwermetalls Indium hergestellt. Das Aufbringen des Schichtsystems auf die Trägerfolie erforderte verschiedene Durchgänge. In einem vom BMU seit 2021 geförderten Projekt entwickelt die ROWO Coating Gesellschaft für Beschichtung mbH einen Prozess, bei dem die Beschichtung in einem Arbeitsschritt erfolgen kann. Dies macht den Einsatz von seltenen Schwermetallen wie Indium überflüssig und spart 60 Prozent an Energie ein.
Weiterführende Technologien für organische Solarzellen auf Basis von aufgedampften Schichten befinden sich ebenfalls derzeit in der Erprobung. Die Markteinführung dieser Solarzellen ist jedoch von der Verfügbarkeit der Produktionstechnologie und den entsprechenden Materialien abhängig. Drei unterschiedliche Technologieansätze werden dabei verfolgt: OPV Oligomere, OPV Polymere und OPV DSSC (Farbstoffzellen, Hybridtechnologie).
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