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Letzte Aktualisierung: 06.06.2024
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Organische Solarzellen: Technologien, Vor- & Nachteile im Vergleich
- Funktion organische Solarzelle: Organische Solarzellen (Organic Photovoltaics, OPV) erzeugen Solarstrom durch organische Moleküle oder Polymere. Diese Zellen bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die Licht absorbieren und Elektronen freisetzen. Die freigesetzten Elektronen werden durch Elektroden aus Metallen oder anorganischen Oxiden wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) gesammelt.
- Unterscheidung organische Solarzellen: Es gibt hauptsächlich zwei Arten von organischen Solarzellen: kleine Moleküle und Polymere. Kleine Moleküle werden oft in vakuumbasierten Verfahren aufgetragen, während Polymere durch Lösungsmittelprozesse hergestellt werden. Beide Arten haben unterschiedliche Herstellungsverfahren und Anwendungsmöglichkeiten.
- Wo liegen die Vorteile & Nachteile? Vorteile organischer Solarzellen sind Flexibilität, Leichtigkeit und die Möglichkeit, sie in verschiedenen Farben und Formen herzustellen. Sie können kostengünstig mit Rolle-zu-Rolle Verfahren produziert werden. Nachteile sind derzeit die geringere Effizienz und kürzere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen.
- Hersteller & organische Solarzellen kaufen: Mehrere Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit arbeiten an der Entwicklung und Herstellung organischer Solarzellen. Dazu gehören Firmen wie Heliatek, Solarmer Energy und Mitsubishi Chemical – auch Universitäten und Forschungsinstitute wie das Fraunhofer COMEDD. Organische PV-Module kaufen geht direkt bei diesen Herstellern oder über spezialisierte Vertriebspartner, die Beratung und Installationsservices anbieten.
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Organische Solarzellen-Technologien im Überblick
Organische Feststoff-Solarzellen
Unter dem Schlagwort "organische Photovoltaik" versteht man gewöhnlich die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie in organischen Feststoff-Solarzellen. Die eigentliche Stromerzeugung findet an der Grenzfläche von Donor- und Akzeptormaterial statt. Deshalb werden organische Feststoff-Solarzellen auch als „Heterojunction-Zellen" bezeichnet. Im Bereich der Feststoffzellen unterscheidet man weiter „Small Molecule Solar Cells“ (SMSC) und Solarzellen mit großen makromolekularen Materialien.
Bei SMSC werden die niedermolekularen Verbindungen in der Regel durch Hochvakuum-Sublimation in dünnen Schichten auf den Träger aufgebracht. Hingegen lassen sich akromolekulare Materialien als Lösung auf dem Substrat abscheiden. Beispielsweise kommt das Spin-Coating-Verfahren dabei zum Einsatz, bei dem die Lösung auf ein rotierendes Substrat getropft wird. Auch verschiedene Druckverfahren werden genutzt, die sowohl strukturierte als auch großflächige Materialabscheidungen ermöglichen.
Neuere Forschungen widmen sich metall-organischen Gerüstverbindungen, oder "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 aus zwei Grundelementen: metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen. Diese werden wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt. In ersten Versuchen kamen Porphyrine als Bausteine zum Einsatz. Sie zeigen neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern eine hohe Ladungsträger-Beweglichkeit.
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) zur organischen Photovoltaik-Technologie. Hierbei wird ebenfalls Licht durch organische Moleküle absorbiert, wobei anorganische Nanopartikel, häufig Titandioxid, als Elektronenakzeptor fungieren. An deren Oberfläche sind organische Farbstoffmoleküle verankert.
Meistens werden Ruthenium-Komplexe verwendet: bis(Tetrabutylammonium), cis di(Isothiocyanato), bis(2,2´-Bipyridyl-4,4´Carboxylat)-Ruthenium (II), auch kurz als N719 bezeichnet. Durch energetische Anregung werden Elektronen 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 ein flüssiger Elektrolyt mit dem Redoxpaar Iodid/Iod für den Ladungstransport innerhalb der Farbstoffsolarzelle eingesetzt werden. Das führt wiederum zu technischen Problemen, insbesondere bei der Langzeitstabilität.
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 organische Solarzellen 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. Dafür wird kein Hochtemperaturverfahren benötigt – eine deutlich energieeffizientere Herstellung von 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. Im Vergleich zu konventionellen Dünnschichtsolarzellen bieten organische Solarzellen Vorteile durch hocheffiziente Materialien und verbesserte 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 auch für die Baumaterial- und Automobilindustrie. Konkrete Anwendungsoptionen sind 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, hat die Technologie eine hohe Bedeutung als Stromquelle im Internet der Dinge (IoT). Sie ist besonders effizient in Innenräumen und unter künstlichen Lichtbedingungen.
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. Mit 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 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 Solarzellen-Technologie in der weiteren Erprobung
Noch besteht zum Einsatz organischer Solarzellen ein hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf.
Von 2015 bis 2017 wurde 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 werden. Gleichzeitig reduziert sich das Volumen der funktionalen Folien. Durch den effizienteren Materialeinsatz werden bei der ohnehin schon energieeffizienten Solarzellenproduktion weitere Ressourcen eingespart. Das zeigt sich letztendlich positiv im Preis, wenn Sie organische PV-Module kaufen.
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 Schichtsystem auf die Trägerfolie aufzubringen 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. Das 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 sind derzeit in der Erprobung. Die Markteinführung dieser Solarzellen ist von der Verfügbarkeit der Produktionstechnologie und den entsprechenden Materialien abhängig. Drei unterschiedliche Technologieansätze werden verfolgt: OPV Oligomere, OPV Polymere und OPV DSSC (Farbstoffzellen, Hybridtechnologie).
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