Zukunft der Solartechnik #3: Organische Solarzellen

OPV – Solar-Zukunftstechnologie par excellence

Die Organische Photovoltaik (OPV) ist DIE Zukunftstechnologie 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.

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 kristallines 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, der Elektronendonator, oben die Anode, der Elektronenakzeptor – mehrere Schichten. Licht fällt durch die transparenten Schichten bis zur unteren n-Elektronenleitungsschicht (ETL, Electron Transport Layer). Dann geschieht Folgendes: Die negativ geladenen Elektronen absorbieren die einfallenden Photonen, lösen sich dadurch aus ihrer Bindung und wandern Richtung p-Lochleitungsschicht (HTL, Hole Transport Layer). Gegen die Durchlassrichtung entsteht im Absorber 1 eine elektrische Spannung, 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.

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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 Fachhochschule 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 bisher bei etwa 18 Prozent. Im Mai 2023 wurde bekannt, einem Forschungsteam an der Hongkong Polytechnic University sei nun ein neuer Rekord gelungen. Eine neuartige Technik zur Regulierung der OSC-Morphologie steigere die Effizienz und die Stabilität der Zellen. Mit der Folge, dass ein Wirkungsgrad von 19,31 Prozent gemessen werden konnte.

Im Juni 2023 vermeldete die TU Chemnitz einen Durchbruch für das Verständnis des Ladungstransports in OLC. 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 FH Bielefeld läuft bis Februar 2024 ein Projekt zur Entwicklung einer erstmals vollständig textilintegrierten und ungiftigen Naturfarbstoff-Solarzelle. Das verwendete Gewebe soll dabei seine textile Haptik behalten und die Zellen sollen bis zu 10 Jahre beständig sein.

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 werden die Folien aber sicher die schweren Silizium-Module verdrängen. 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, da die strengen Auflagen der EU-Richtlinie 2002/95/EG (RoHS) den Einsatz gefährlicher Stoffe verhindert.

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 aber nach wie vor in der Entwicklungsphase stecken, liegt an einer Schwierigkeit: 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, werden Folienmodule mit organischen Solarzellen die schweren kristallinen Module und selbst die herkömmlichen, mit ökologisch zweifelhaften Materialien versehenen Dünnschichtmodule garantiert ablösen.

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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