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Abb. 23: Flexible organische Solarzelle.
© Heliatek

Abb. 24: Handtasche mit eingearbeitetem Solarmodul.
© Kraftwerk
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Neue Zellentwicklungen

Flexible Solarzellen, die sich problemlos in den unterschiedlichsten Bereichen einsetzen lassen, die preisgünstig mobil, auf Fassaden oder sogar in Kleidung integriert Strom produzieren: bei der dritten Solarzell-Generation wandeln organische Farbstoffe Licht in Strom um; hergestellt werden die Zellen mit angepassten etablierten Verfahren bei niedrigen Temperaturen. Effizienz und Lebensdauer derModule sind noch verbesserungsfähig, interessante Konzepte wie Tandemzellen sind in Arbeit.

Organische Solarzellen basieren auf farbstoffähnlichen Molekülen wie Phtalocyaninen oder polyzyklischen Farbstoffen, die eine sehr starke Absorption im Wellenlängenbereich des sichtbaren Sonnenlichts aufweisen. Sie können sehr kostengünstig hergestellt werden und erlauben den großflächigen Einsatz mit leichten und wenn nötig auch flexiblen Modulen. Die wichtigsten Forschungsfelder betreffen die Effizienz bei der Energieumwandlung und die Verlängerung der Lebenszeit.

Die Lebensdauer hängt vom Materialsystem ab (Polymer, niedermolekular oder Hybrid). Fraunhofer ISE hat für Polymersolarzellen eine Lebensdauer von 1,5 Jahren gemessen (bei Dauerbelichtung unter 1.000 W/m² und bei 50 °C).

Konzepte, Strategien, Potenziale

Auf dem Gebiet der Photovoltaik mit organischen Materialien (OPV) sowie hybrider Systeme gibt es eine Vielfalt von Konzepten jenseits der klassischen Si- oder Dünnschichttechnologie. Die Entwickler profitieren von Synergien mit benachbarten Feldern der organischen Elektronik wie organischen Leuchtdioden (OLED) und organischen Feldeffekttransistoren (OFET) mit Produkten wie Monitoren, Beleuchtung und RFID (Radio Frequency Identification).

Das Ziel ist, auf breiter Basis Ausgangsmaterialien sowie Herstellungsverfahren für den Einsatz in der OPV zu evaluieren und anzupassen. Geeignete Substrate sind schon auf dem Markt und können unverändert eingesetzt werden, meist aus Glas oder flexiblen PET-Folien, die mit Indium-Zinn-Oxid als transparentem Frontkontakt (TCO) beschichtet sind. Forscher suchen nach günstigeren TCOAlternativen, z. B. auf ZnO-Basis.

Absorber der dritten Generation sollen aus ultra-dünnen Schichten bestehen und trotzdem hoch absorbierend sein. Hier kommt eine breite Palette organischer Farbstoffe mit halbleitenden Eigenschaften in Betracht. Die Eigenschaften von Molekülen und Polymeren lassen sich mit relativ geringem Entwicklungsaufwand an die Erfordernisse der OPV anpassen. Das gleiche gilt für die Adaption von etablierten Beschichtungsverfahren wie Eintauchen, Drucken, Sprühen, Vakuumdeposition, Rolle-zu-Rolle.

Eine Markteinführung entsprechender Produkte der OPV wird in Kürze erwartet. Prototypen sind schon erhältlich, z. B. in Form von Handtaschen mit organischen 1W-Modulen.

Neue Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten

Die neuen Technologien unterscheiden sich von den klassischen durch die eingesetzten Materialien (Farbstoffe) und Herstellungsmethoden. Es werden durchgängig Niedertemperaturverfahren verwendet, sowohl im Vakuumprozess als auch bei nasschemischen Verfahren. Die physikalischen Funktionsprinzipien zeigen bemerkenswerte Unterschiede, sie werden intensiv erforscht.

Die Absorber in organischen Solarzellen (OSZ) bestehen im Wesentlichen aus Farbstoffmolekülen mit Donatoroder Akzeptoreigenschaften, die ohne zusätzliche Matrix (etwa aus Si) auskommen. Folglich sind die aktiven Schichten mit nur wenigen 100 nm ultra-dünn. Module aus OSZ sind materialsparend und einfach zu fertigen, leicht und mechanisch sehr flexibel.

Im Spektralbereich des Sonnenlichts haben sie bemerkenswerte Absorptionseigenschaften. Sie zeigen relativ schmale, durch die Auswahl der Moleküle spektral einstellbare Absorptionsbanden mit extrem hohen Absorptionskoeffizienten. Der einstellbare Absorptionsbereich bietet dem Produktdesigner neue gestalterische Elemente durch das Spiel mit Transparenz und Farbe der Module.

Diese Eigenschaften der Solarzellen dritter Generation machen eine enorme Vielfalt von Anwendungen möglich, trotz noch geringer Effizienz und kurzer Lebensdauer von wenigen Jahren. Die Industriepartner denken daran, die Module in Kleidung, Handtaschen, Mobiltelefone, Autodächer, Fensterscheiben, Jalousien sowie Gebäudefassaden zu integrieren (Abb. 24 ).

Grundlegende Zellarchitekturen

Die hier vorgestellten prinzipiellen Zellkonzepte sind allesamt Donator-Akzeptor-Systeme mit entweder ein oder zwei organischen Absorbermaterialien. Trotz gemeinsamer Grundlagen unterscheiden sich die Zellkonzepte erheblich, zum Teil durch die Zellarchitektur, zum Teil durch die Präparationsmethode.

Sequentiell geschichtete Organische Solarzellen (OSZ)

1985 gelang es amerikanischen Forschern erstmals, aus einem Metall-Phthalozyanin als Donator (D) und einem Perylenderivat als Akzeptor (A), eine Solarzelle mit 1% Effizienz auf Indiumzinnoxid (ITO) als transparentem Kontakt zu realisieren. Es handelte sich um eine Zweischichtsolarzelle, d. h. die beiden Absorberschichten (D, A) wurden sequentiell angeordnet. Zweischichtsolarzellen werden ausschließlich im Vakuumprozess hergestellt. Folglich müssen alle verwendeten Materialien die nötige thermische Stabilität aufweisen. Die alternative Herstellung solcher sequentieller Zellarchitekturen durch nasschemische Abscheidung ist wenig geeignet, da sich die Löslichkeit der Materialien während der Überschichtung durch die zweite Lage nachteilig auswirkt.

Merkzettel

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

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