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Abb. 27: Rolle-zu-Rolle-Druck von Elektronik wie RFID-Tags oder organischer Photovoltaik.
© PolyIC Pressebild

Abb. 28: Organische Solarzellen werden in Reinräumen hergestellt.
© Siemens, Konarka

Abb. 29: Prototyp eines per Siebdruck hergestellten Farbstoffsolarmoduls.
© Fraunhofer ISE

Abb. 30: Schema einer farbstoffsensitivierten Solarzelle (Dye Sensitised Solar Cell, DSSC).
© Max Planck Institut für Polymerforschung
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Neue Zellentwicklungen II

Sehr effiziente OSZ mit Donator-Akzeptor-Mischabsorbern

Für die Herstellung gemischter Absorberschichten eignen sich sowohl Vakuum- als auch nasschemische Verfahren. Ziel ist eine möglichst innige Mischung der beiden Materialien, um eine große innere Grenzfläche zwischen Donator- und Akzeptormaterial zu erzeugen. Das wird sowohl durch Koverdampfung im Vakuum als auch durch nasschemische Abscheidung aus einer Mischlösung erreicht. Die entstehenden D/A-Mischabsorber wandeln sehr effizient Licht in Ladungsträger um.

Im Forschungsstadium ist die nasschemische Deposition von Polymermischungen gegenüber den Vakuumtechniken preisgünstiger. In gewöhnlichen Chemielaboren kann mit der großen Materialvielfalt der Polymerchemie geforscht werden. Problematisch für die industrielle Produktion sind allerdings die großen Lösemittelmengen. Wegen der geringeren Entwicklungskosten (pro Labor) konzentriert sich der größere Teil der Forschung auf Polymersolarzellen. So ist bald mit einer Vielzahl von konkurrierenden Polymersolarzellen auf dem Markt zu rechnen.

Vergleichsweise wenig geforscht wird zu OSZ aus Mischungen von kleinen Molekülen. Das liegt daran, dass für die thermische Vakuumdeposition aufwendige Anlagen nötig sind und die Materialien thermisch stabil sein müssen. Diese Nachteile sind in einer späteren Massenfertigung irrelevant. Mit Vakuummethoden lassen sich organische Mischphasen durch Koverdampfung sowie sequentielle Schichten sehr variabel und präzise herstellen und auf die spezielle Anwendung maßschneidern. Deshalb liefern beide Forschungsgebiete (Polymere und kleine Moleküle) trotz unterschiedlich intensiver Forschungsaktivitäten gleich gute Ergebnisse.

Donator-Akzeptor-Nanokomposite (DAN)

Eine ideale Zellarchitektur erhältman durch Kombination der beiden oben genannten, komplementären Absorber- Architekturen. Durch sequenziell deponierte aber hochgradig verzahnte Donator-Akzeptor-Schichten kann man die Vorteile der beiden, nämlich hohe Reinheit und Kristallinität der Einzelschichten wie auch eine maximierte DAGrenzflächenmorphologie, zusammenführen. Wegen der begrenzten Transporteigenschaften organischer Halbleiter bewegt sich die Verzahnung typischerweise im Bereich von 100 nm Domänengröße. Deshalb wird in der Entwicklung und industriellen Fertigung funktionaler Materialien auf DAN-Basis die Nanotechnologie eine Schlüsselrolle spielen. Durch Verfahren, die die Selbstorganisation der Materialien ausnutzen, lassen sich die Herstellungskosten weiter reduzieren.

Hybride Systeme nutzen flüssige oder feste Elektrolyten. Bei der farbstoffsensibilisierten Solarzelle (Brian O’Regan und Michael Grätzel 1991) besteht der Absorber nur aus wenigen Nanometern einer Donatorschicht, basierend auf Rutheniumkomplexen, diese umgibt die innere Oberfläche einer nanoporösen und transparenten Titandioxidlage (TiO2) als Akzeptor. Die so gebildete D/A-Grenzfläche erstreckt sich über das gesamte Volumen der mehrere μm dicken TiO2-Lage. Die Ladungsträgergeneration ist mit der in organischen Mischsolarzellen vergleichbar. Bei beiden ist der Abtransport der Ladungsträger „Löcher“ zum Rückkontakt wegen der komplizierten Nanomorphologie ein Problem. Die besten Ergebnisse liefert ein flüssiger Elektrolyt als Lochleiter, dies hat allerdings Einfluss auf Stabilität und Toxizität. Ersatzstoffe aus gallertartigen oder festen Elektrolyten sind hier auf dem Vormarsch.

Bei der ETA (extremely thin absorber)-Zelle wird eine eher kompakte, kristalline TiO2-Schicht mit korallenartig hoch strukturierter Oberflächenmorphologie mit dem Absorber beschichtet. Es bildet sich eine stark gefaltete aber geschlossene Lage der D/A-Grenzfläche aus. Deshalb kann hier ein gewöhnlicher Metallrückkontakt verwendet werden. Bei der ETA-Zelle wurden anfänglich nur anorganische Farbstoffe eingesetzt, inzwischen auch mehr organische Absorber.

Konzepte für die Markteinführung

Die genannten Zellkonzepte haben das Potenzial der neuen Technologien demonstriert. Forschungsarbeiten und erste Machbarkeitsstudien wurden seit 2000 in nationalen Netzwerken durchgeführt. Neue Ansätze steigerten die zunächst geringen Effizienzen auf über 3%. Die rasante Entwicklung weckte schließlich das Interesse der Industrie, und die Forschung wurde in der Folge durch die „OPV-Initiative 2007–2012“ weiter intensiviert. Inzwischen hat sich die Zelleffizienz in den Forschungslaboren noch einmal mehr als verdoppelt (Stand 2010). Die gemeldeten Rekorde sind zwar nicht immer miteinander vergleichbar, zeigen aber mit 8,1% (Polymere) und 8,3% (kleine Moleküle) beachtliche Werte.

Die neuen Rekordzellen integrieren verschiedene Einzelinnovationen zu komplexeren und deshalb realistischen Zellarchitekturen mit neuartigen Schichtmaterialien:

  • Gezielte Nanostrukturierung sowie Dotierung der Absorberschichten verbessern die Transporteigenschaften; Absorber mit präzisen Dotierungsgradienten (z. B. p-i-n-Struktur) bringen sehr gute Ergebnisse.

  • Die Einführung von optischen Spacern in die Schichtarchitektur hilft, das Sonnenlicht optimal einzukoppeln. Da sich in ultra-dünnen Schichtsystemen bei Beleuchtung stehende Interferenzen ausbilden, muss der Abstand zur reflektierenden Metallschicht am Rückkontakt durch transparente, leitfähige Pufferschichten geeigneter Dicke frei einstellbar sein, um eine Absorberschicht in das Maximum einer Interferenz bestimmter Wellenlänge zu positionieren.

  • Eine Erweiterung des Absorptionsspektrums erreicht man durch Kombination zweier unterschiedlicher OSZ zu einer Tandemzelle. Hier werden zwei Solarzellen übereinander geschichtet, sodass man im Idealfall ein Bauteil mit doppelter offener Klemmenspannung bei gleichem Fotostrom erhält.

Merkzettel

Downloads

Liste der BMU-Forschungsvorhaben
(pdf, 3 Seiten, 402 kB)

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