OPV – Organische Photovoltaik mit Zukunftspotenzial
Die Organische Photovoltaik (OPV) ist eine vielversprechende Spezialtechnologie im Bereich der solaren Stromerzeugung. Kein Wunder also, dass Forschungsteams weltweit an der Weiterentwicklung der Zellen arbeiten. Und das offensichtlich mit Erfolg, denn stetig werden neue Effizienz-Rekorde publiziert. Zwar sind die im Labor ermittelten Werte nicht eins zu eins auf die Realität übertragbar, einen Fortschritt beim Wirkungsgrad spiegeln sie jedoch allemal wieder. Lesen Sie, welche Arten von organischen Solarzellen es gibt, wie sie funktionieren und welche Vorteile von ihnen zu erwarten sind.
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Was ist Organische Photovoltaik?
2014 verkündete das Fraunhofer ISE stolz, ein 6 m langes und 50 cm breites Solarmodul aus flexibler organischer Photovoltaik präsentieren zu können. Es sei gelungen, die OPV auf eine Gewebemembran zu integrieren. Organische Photovoltaik, englisch Organic Photo Voltaics, kurz OPV, ist ein Oberbegriff für alle Techniken mit Solarzellen, die auf Kohlenwasserstoffen basieren. Dazu gehören
- in erster Linie organische Feststoff-Solarzellen, Organic Solar Cells, abgekürzt OSC. Weitere Namen sind Plastiksolarzellen und Kunststoffsolarzellen.
- daneben auch organische Farbstoff-Solarzellen, entweder bezeichnet als DSC, Dye Sensitized Cells oder DSSC, Dye Sensitized Solar Cells. Üblicherweise werden sie nach ihrem Erfinder auch Grätzel-Zellen genannt.
Da in der organischen PV für die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie fast ausschließlich Feststoff-Solarzellen zum Einsatz kommen, werden die Begriffe OPV und OSC selten unterschieden. Dies gilt daher auch für diesen Beitrag.
Wie werden OPV resp. OSC hergestellt und wie funktionieren sie?
Bei anorganischen Solarzellen besteht die Absorberschicht aus nur einem Material, üblicherweise kristallinem Silizium. Organische Solarzellen weisen dagegen eine Absorberschicht aus einem Materialgemisch auf. Das für die Stromerzeugung erforderliche Donor-Akzeptor-Prinzip findet in einer organischen Solarzelle also mehrfach statt.
Das Schema zeigt: Unter dem Glassubstrat befinden sich zwischen zwei Elektroden – unten die Kathode als Elektronensammelkontakt, oben die Anode als Lochsammelkontakt – mehrere Schichten. Licht fällt durch die transparenten Schichten bis zur unteren n-Elektronenleitungsschicht (ETL, Electron Transport Layer). Dann geschieht Folgendes: Die photoaktive Donor-Akzeptor-Schicht absorbiert Photonen. Dabei entstehen Exzitonen, die an Donor-Akzeptor-Grenzflächen in Elektronen und Löcher getrennt werden; Elektronen wandern über Akzeptor/ETL zur Kathode, Löcher über Donor/HTL zur Anode. Gegen die Durchlassrichtung entsteht im Absorber 1 ein elektrischer Strom, der Photostrom. Da es in der bereits passierten Materialschicht (Absorber 2) genauso ist, verstärkt sich die Ausbeute.
Das Donor-Akzeptor-Materialgemisch kann als Lösung aufgesprüht oder im Tintenstrahldruckverfahren aufgedruckt werden. Besonders dünne Schichten werden durch Sublimation erreicht, bei der das feste Material ohne vorherige Verflüssigung direkt als gasförmiger Stoff auf den Träger gelangt. Zur Funktionalisierung des Trägers wird häufig das schnelle Rolle-zu-Rolle-Verfahren angewendet.
Was sind organische Farbstoffzellen?
Die Grätzel-Zelle ist nach ihrem Erfinder Michael Grätzel benannt. Er entdeckte 1991 die Nützlichkeit organischer Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie und ließ sie sich ein Jahr später patentieren. Die Funktionalität von Dye Sensitized Solar Cells unterscheidet sich nicht grundlegend von der oben beschriebenen. Allerdings besteht die Beschichtung der Halbleiter aus organischem Farbstoff.
Das Problem sei die Giftigkeit mancher Materialien im herkömmlichen Zellenkomplex. Dazu zählten toxische Farbstoffe oder auch Ruthenium und Kobalt im Halbleiter, so Fabian Schoden, Leiter eines Forschungsprojektes an der Hochschule Bielefeld (HSBI, ehemals FH Bielefeld). Deshalb verwende man bei der Entwicklung ihrer zirkulären Farbstoffzelle ausschließlich ungiftige Komponenten wie pflanzenbasierte Farbstoffe, konkret Hibiskusblüten, und das auch in Zahnpasta zu findende Titandioxid als Halbleitermaterial. Zwischen zwei leitfähige Glasplättchen gelegt, könne also theoretisch jeder selbst eine Farbstoff-Solarzelle bauen. Die Forschungsgruppe hat sich zum Ziel gesetzt, sämtliche Materialien und Werkstoffe rückstandslos wiederverwenden zu können. Ganz im Sinne einer zirkulären Wertschöpfung – „weg vom ‚Müll-Konzept‘ hin zu Circular Economy“, fasst Schoden das Konzept zusammen.
So ambitioniert das klingt, ein Blick auf die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens ergibt noch kein positives Bild: Nicht nur, dass der Wirkungsgrad bei Weitem nicht an den von kristallinen Zellen heranreicht, auch das Recycling der Materialien muss sich erst noch lohnen. Außerdem haben Farbstoffsolarzellen eine noch zu geringe Lebensdauer. Diese Schwachstellen in den Griff zu bekommen, wird sicher noch einige Zeit benötigen.
Forschungsstand bei organischen Solarzellen
Bei organischen Solarzellen lag der höchste Wirkungsgrad lange bei etwa 18 Prozent. Im Mai 2023 meldete ein Forschungsteam an der Hongkong Polytechnic University 19,31 Prozent – mithilfe einer neuen Technik zur Regulierung der OSC-Morphologie. 2024 wurde dann die 20-Prozent-Marke überschritten: Forschende der Shanghai Jiao Tong University erreichten in einer Veröffentlichung im Fachjournal Joule einen Wirkungsgrad von 20,8 Prozent im Labor, davon 20,1 Prozent unabhängig zertifiziert; im April 2026 folgte in Nature Materials ein zertifizierter Rekordwert von 21,01 Prozent. Damit holen organische Zellen schneller auf, als noch vor wenigen Jahren erwartet – auch wenn sie weiterhin deutlich unter den über 27 Prozent kristalliner Silizium-Spitzenzellen liegen.
Im Juni 2023 vermeldete die TU Chemnitz einen Durchbruch für das Verständnis des Ladungstransports in OSC. Die Zustandsdichte organischer Solarzellen sei nicht durch eine Gauß- oder Exponentialverteilung zu beschreiben, sondern durch ein Potenzgesetz. Damit seien die Prozesse komplexer als bisher angenommen, verhinderten aber keineswegs die Herstellung durch Druck- oder Aufdampftechnologien.
An der Hochschule Bielefeld lief bis Februar 2024 das Projekt „SolarFlex“ zur Entwicklung einer erstmals vollständig textilintegrierten und ungiftigen Naturfarbstoff-Solarzelle. Das verwendete Gewebe sollte dabei seine textile Haptik behalten und die Zellen sollten bis zu 10 Jahre beständig sein.
Organische Photovoltaik im Markt – Stand 2026
Lange galten organische Solarzellen ausschließlich als Forschungsgegenstand. Das hat sich geändert: Die Dresdner Heliatek GmbH stellt seit Jahren OPV-Solarfolien unter dem Markennamen HeliaSol industriell her. Im April 2024 wurde HeliaSol vom TÜV Rheinland nach den internationalen Normen IEC 61215 und IEC 61730 zertifiziert – als weltweit erstes kommerziell erhältliches OPV-Produkt. IEC 61215 ist die Designqualifikation für PV-Module und umfasst beschleunigte Belastungstests; IEC 61730 betrifft vor allem die elektrische und mechanische Sicherheit. Heliatek gibt für die zertifizierte HeliaSol-Folie eine 20-jährige Leistungsgarantie. OPV ist damit nicht mehr nur „Zukunft“, sondern in Nischenanwendungen bereits heute verfügbar.
Wo OPV-Folien gegenüber klassischen Silizium-Modulen stehen, zeigt der Vergleich:
| Eigenschaft | OPV-Folie | Kristallines Si-Modul |
|---|---|---|
| Bester zertifizierter Zellwirkungsgrad | 21,01 % (Laborzelle; HeliaSol-Produkt: 7,2–8,0 % Apertur-Wirkungsgrad) | über 27 % (Laborzelle) |
| Form | flexibel, biegsam, dünn | starr, hinter Glas |
| Gewicht | ultraleicht | schwer |
| Bruchverhalten | bruchsicher | bruchempfindlich |
| Marktreife | seit 2024 erste IEC-zertifizierte Produkte (HeliaSol) | Massenmarkt seit Jahrzehnten |
| Typischer Einsatz | Folie auf Dächern mit geringer Tragfähigkeit, Fassaden, gewölbten Flächen | Standard-Aufdach- und Freiflächenanlagen |
Die Tabelle macht den eigentlichen Vorteil von OPV deutlich: Nicht der Spitzenwirkungsgrad ist die Stärke, sondern die Form. OPV erschließt Flächen, auf denen klassische Silizium-Module nicht funktionieren – etwa wegen Tragfähigkeit, Wölbung oder Designanforderungen. Auf einem stabilen, freien Hausdach bleibt das kristalline Silizium-Modul auch 2026 die wirtschaftlichere Wahl.
Organische Solarzellen: Pro und Kontra
Auch, wenn die genannte Veröffentlichung Freude aufkommen lässt, auf den Wirkungsgrad ausgelegter „Module“ lässt sich der Laborwert nicht einfach eins zu eins übertragen. Langfristig könnten die Folien klassische Silizium-Module in vielen Anwendungsfeldern ergänzen oder ersetzen. Die Vorteile sind einfach zu überzeugend:
- Energieeffiziente und damit kostengünstige Herstellung
- Sehr geringer Materialbedarf
- Geringes Gewicht und damit Eignung bei Hallen in Leichtbauweise
- Biegsame Struktur sorgt für Bruchsicherheit
- Einfaches Aufkleben und damit geringe Installationskosten
- Gutes Schwachlichtverhalten durch breites Lichtspektrum
- Optische Unauffälligkeit durch Transparenz
- Freie Wahl der Installationsfläche durch flexible Struktur
- Umweltverträglichkeit: OPV kann durch geringen Materialeinsatz und flexible Träger Vorteile bieten; konkrete Schadstoff- und Recyclingangaben sollten jedoch produktbezogen geprüft werden. Die RoHS-Richtlinie gilt für dauerhaft fachgerecht installierte PV-Module nicht pauschal, da solche Photovoltaikmodule vom Anwendungsbereich ausgenommen sind.
Noch fallen die Nachteile ebenfalls ins Gewicht:
- Durch den geringen Wirkungsgrad entsteht ein hoher Flächenbedarf. Nur so wird die organische Solarfolie rentabel.
- Das Sonnenlicht zersetzt viele der bisher ausprobierten organischen Verbindungen. Daher ist die Stabilität noch zu gering.
Platzierung der flexiblen Kunststoffzellen
Eingesetzt werden können OPV-Folien überall dort, wo Solarfolien ihren Platz finden, also
- auf Dächern mit geringer Tragfähigkeit oder gewölbter Oberfläche
- an Fassaden, Vorbauten, Balkonbrüstungen und Stellwänden
- in transparenter Variante auch auf Fensterscheiben
- als Plane zum Beispiel auf Swimmingpools
- auf ungenutzten Fahrzeugflächen wie dem Dach eines Bootes oder Elektrofahrzeugs
- auf Dächern von Wohnmobilen, Wohnwagen und Campingzelten
- an der Wanderausrüstung wie beispielsweise der Rucksackfront
- an der Bildschirmoberseite eines Laptops
- bei Transparenz auch direkt auf Displays
- …
Fazit
Organische Solarzellen sind leicht und kostengünstig herzustellen. Sie sind flexibel und lassen sich daher sowohl auf starren als auch auf flexiblen Trägermaterialien auftragen. Dass OPV trotz erster Nischenprodukte noch nicht im breiten PV-Massenmarkt angekommen ist, liegt vor allem an zwei Schwierigkeiten: Der Wirkungsgrad ist noch nicht ausreichend, weil die Forscher noch auf der Suche nach den perfekten Materialien sind. Es gilt, die besten Materialeigenschaften zu kombinieren, mit der größten Stabilität, dem geringsten elektrischen Widerstand und der größten Lebensdauer.
Wenn dies geschafft ist, könnten Folienmodule mit organischen Solarzellen klassische Silizium- und Dünnschichtmodule in vielen Anwendungsbereichen ablösen – insbesondere dort, wo starre Module heute nicht eingesetzt werden können.
Quellen:
Prototyp eines OPV-Moduls: https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2014/organische-photovoltaik-am-laufenden-meter-2013-eu-projektpartner-zeigen-sechs-meter-lange-folie-auf-lopec-in-muenchen.html
Ungiftige Farbstoffsolarzellen: https://www.hsbi.de/presse/pressemitteilungen/ungiftige-wiederverwendbare-farbstoffsolarzelle
Neuer Wirkungsgrad bei OSC: https://www.polyu.edu.hk/media/media-releases/2023/0529_polyu-researchers-achieve-record-efficiency/
Durchbruch bei OSC: https://www.tu-chemnitz.de/tu/pressestelle/aktuell/11920
Textilintegration: https://www.hsbi.de/forschung/forschungsprojekte/aktuelle-projekte-fb-3/dotter-solarflex
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