Organische Solarzellen

Solarstrom aus hauchdünnen Farb- und Kunststoff-Folien

28.05.2008 | Autor / Redakteur: Rolf Hug* / Andreas Mühlbauer

Bild: BASF

Solarzellen könnten in naher Zukunft in faltbaren Ladegeräten oder auf Autodächern umweltfreundlichen und billigen Strom liefern. Die Fotovoltaik-Zellen aus organischen Halbleitermaterialien sind biegsam und dünn wie eine Klarsichthülle sowie leicht und variabel im Farbton. In der Bauindustrie sollen die organischen Solarzellen auf Dächern, an Fassaden oder in Fenstern zum Einsatz kommen.

Bekannt sind fotoelektrische Effekte in organischen Materialien seit den 1960er Jahren: Auf Grund der Erfolge der „klassischen“ Solarzellen mit organischen Halbleitern (Silizium, amorphes Silizium, Galliumarsenid und Sulfide) beschränkte sich die OPV-Forschung bislang jedoch auf einige wenige Labors und Universitäten. Zudem galt die organische Fotovoltaik unter Naturwissenschaftlern bis vor kurzem noch als unseriös und ihre Potenziale wurden eher belächelt.

Vier Solarzellen von der Größe einer Hand können in Reihe geschaltet eine Spannung von bis zu 2 V erzeugen. Die Solarzellen wurden mittels spezieller Farbstoffe hergestellt, sodass sich Farbton und Transparenz variieren lassen. So können die organischen Solarzellen zum Beispiel farblich an Autodächer oder für Mobiltelefone angepasst werden. Bild: BASF
Vier Solarzellen von der Größe einer Hand können in Reihe geschaltet eine Spannung von bis zu 2 V erzeugen. Die Solarzellen wurden mittels spezieller Farbstoffe hergestellt, sodass sich Farbton und Transparenz variieren lassen. So können die organischen Solarzellen zum Beispiel farblich an Autodächer oder für Mobiltelefone angepasst werden. Bild: BASF

Doch mit dem Chemie-Nobelpreis für den OPV-Forscher Alan Heeger im Jahr 2000 hat sich das geändert – und soll nun ganz anders werden: Die Bundesregierung und Unternehmen wie BASF, Bosch, Merck und Schott verfolgen eine gemeinsame Hightech-Strategie. Sie bündeln ihre Kräfte und wollen insgesamt 360 Mio. € in die Technologieinitiative zur Organischen Fotovoltaik (OPV) investieren. Die Solar-Folien sollen bereits ab 2015 industriell gefertigt werden, betont die an der Initiative beteiligte Bosch-Gruppe.

„Über Organische Fotovoltaik wollen wir die Sonnenenergie kostengünstig verfügbar machen“, sagt Dr. Siegfried Dais, Stellvertretender Vorsitzender der Bosch-Geschäftsführung und verantwortlich für Forschung und Vorausentwicklung. Dies gehe nur mit effizienter Massenproduktion. Bosch will hierzu die entsprechenden Verfahren entwickeln. „Gleichzeitig wollen wir so unserer Vision des energieautarken Hauses einen weiteren Schritt näher kommen“, ergänzt Dr. Dais. Gemeinsames Ziel der Forscher sei es, organische Solarzellen zu entwickeln, die mindestens 10% des einfallenden Lichts in elektrische Energie umwandeln und eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren erreichen.

Neue Materialien, Produktionsverfahren und Installationstechnologien sollen die organischen Solarzellen langfristig effizienter und kostengünstiger machen. Vor allem erwarten die Forscher und Unternehmen geringere Herstellungskosten auf Grund kostengünstigerer Produktionstechnologien und niedrigerem Materialaufwand. Die Solarzellen der Zukunft werden biegsam, wiegen noch weniger und zeichnen sich durch eine hohe Umweltverträglichkeit aus. Farbige organische Solarzellen eröffnen darüber hinaus neue Spielräume für Architektur und Design.

Nobelpreis für die Grundlagen der OPV

Als Durchbruch der organischen Fotovoltaik gilt die Verleihung des Nobelpreises für Chemie im Jahr 2000 an Alan Heeger, Physik-Professor an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara. Heeger erhielt den Chemie-Nobelpreis gemeinsam mit Alan MacDiarmid and Hideki Shirakawa für die Entdeckung und Entwicklung von leitfähigen Polymeren. Im Juli 2007 präsentierte der Nobelpreisträger gemeinsam mit dem Koreaner Kwanghee Lee eine neue, organische Tandem-Solarzelle mit gesteigertem Wirkungsgrad.

Der Aufbau einer flexiblen, organischen Solarzelle Bild: BASF und Bosch
Der Aufbau einer flexiblen, organischen Solarzelle Bild: BASF und Bosch

Die Doppel-Solarzelle besteht aus zwei Schichten, die sowohl kurze als auch längere Lichtwellen absorbieren und somit ein breiteres Spektrum der Sonneneinstrahlung aufnehmen als Zellen, die nur eine Schicht haben. „Das Ergebnis ist ein Wirkungsgrad von 6,5%. Das ist die höchste Effizienz, die mit organischen Solarzellen bislang erreicht wurde. Und ich bin sicher, dass wir die Zellen noch weiter verbessern können, um einen Wirkungsgrad zu erzielen, der den Anforderungen an kommerzielle Anwendungen entspricht“, betont Heeger. Er erwartet, dass solche Solarzellen in etwa drei Jahren auf den Markt kommen werden.

Als Organische Fotovoltaik werden Solarzellen auf Grundlage organischer Halbleitermaterialien (meist Farbstoffe) bezeichnet, die aus Licht Strom erzeugen können. Die nach ihrem Erfinder, Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, benannte elektrochemische Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle) beispielsweise nutzt den Blattfarbstoff Chlorophyll, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln.

Ein Variante der Organischen Fotovoltaik sind die von Alan Heeger verwendeten, elektrisch leitfähigen Kunststoffe (Kohlenwasserstoff-Polymere). Das Arbeitsprinzip sowohl der organischen als auch der Polymer-Solarzelle beruht auf dem vom Sonnenlicht ausgelösten Elektronentransfer in einem so genannten Donator-Akzeptor-System.

Die fotoaktiven Schichten in organischen und Polymersolarzellen bestehen normalerweise aus einem Elektronen-Geber- und einem Elektronen-Nehmer-Material. Für organische Solarzellen werden häufig Farbstoffe aus der Gruppe der so genannten Phthalocyanine als Donator (Geber) und Moleküle aus Kohlenstoffatomen (Fullerene) als Akzeptor (Nehmer) verwendet. Die Schichten werden meist durch Abscheidung der Materialien aus der Gasphase im Vakuum erzeugt.

In Polymersolarzellen kommen verbundene Polymere als Donator, in einigen Fällen aber auch als Akzeptor zum Einsatz. Oft werden auch Fullerene als Elektronen-Akzeptor eingesetzt. Der Aufbau der Polymersolarzelle ist ähnlich der organischen Solarzelle, ihre fotoaktive Schicht besteht jedoch aus einer Donator-Akzeptor-Mischung.

Die Herstellung der aktiven Schicht einer Polymersolarzelle ist sehr einfach: Zuerst werden die Donator- und Akzeptor-Materialien in einem Lösungsmittel aufgelöst und danach durch Auftropfen, Aufschleudern oder Aufdrucken auf ein passendes Trägermaterial aufgebracht. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels entsteht ein etwa 100 nm dünner, homogener Film. Der einfache Druck der Polymere auf eine Folie verspricht sehr geringe Herstellungskosten für die „Solarzellen von der Rolle“. Die Anwendung bereits bekannter Drucktechniken könnte eine großtechnische Umsetzung erleichtern.

OPV-Forschung und -Entwicklung in Deutschland, den USA und Australien

Bereits 2004 erreichten Siemens-Forscher mit der Steigerung des Wirkungsgrades organischer Solarzellen von 3 auf 5% einen Meilenstein und erwarteten mit dem damaligen Stand der Technik sogar einen möglichen Wirkungsgrad von etwa 7%. Grund genug für Heeger, Gründer der Konarka Technologies Inc., mit Siemens zu kooperieren. Konarka erwarb das Siemens-Knowhow und legte die Forschungsprogramme zusammen, an denen mit Dr. Christoph Brabec und Prof. Serdar Sariciftci anerkannte Pioniere auf dem Gebiet der leitfähigen Kunststoffe arbeiten. Theoretisch könnten die Kunststoff-Solarzellen laut Konarka Wirkungsgrade von 20 bis 25 % erreichen, im Labor seien bereits 10% erzielt worden. Konarka konzentriert seine OPV-Aktivität in dem Start-Up-Unternehmen Konarka Austria Forschungs- und Entwicklungs GmbH in Linz.

Solarzellensubstrat, das mit der Methode der Vakuum-Bedampfung hergestellt wurde. Die etwa 1 mm2 großen blauen Quadrate sind organische Solarzellen. Bild: BASF
Solarzellensubstrat, das mit der Methode der Vakuum-Bedampfung hergestellt wurde. Die etwa 1 mm2 großen blauen Quadrate sind organische Solarzellen. Bild: BASF

In Deutschland arbeiten zum Beispiel Wissenschaftler in Oldenburg, Freiburg und Berlin an der Nutzung der organischen Fotovoltaik. An der Universität Oldenburg forscht ein Team um den Physiker Prof. Dr. Jürgen Parisi und Dr. Vladimir Dyakonov. Dyakonov erwartet ein „Jahrzehnt der organischen Fotovoltaik“ und weist auf verstärkte Nachfragen und Kooperationsangebote aus der Industrie hin.

Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg beschäftigt sich ebenfalls mit Herstellungsverfahren für Farbstoff-Solarzellenmodule. Ein wichtiger Gesichtspunkt dabei ist die Versiegelung der Module. In den nächsten Jahren werde es voraussichtlich nur dann möglich sein, Farbstoffsolarzellen mit solaren Wirkungsgraden oberhalb 5% auf größeren Flächen herzustellen, wenn flüssige oder teilweise verfestigte (gelierte) Elektrolyte verwendet werden. Dies erfordere hermetische, dauerhafte und mit dem Elektrolyten kompatible Versiegelungsmaterialien.

Als Voraussetzung für eine Kommerzialisierung organischer Solarzellen arbeitet das ISE an den Herstellungskosten, der Effizienz und der Langzeitstabilität. Erste potenzielle Anwendungen organischer Solarzellen sehen die ISE-Forscher in der Energieversorgung mobiler Kleingeräte. Weitere mögliche Anwendungen sind die Versorgung energieautarker Mikrosysteme und Sensornetzwerke sowie die Integration in einfache elektronische Schaltungen basierend auf organischen Halbleiterbauelementen. Der Beitrag organischer Solarzellen zu einer nachhaltigen Energieversorgung ist das langfristige Ziel der Freiburger Forscher.

Den vollständigen Artikel mit weiteren Informationen zur Effizienz und Stabilität der Solarzellen sowie Systeminnnovationen und einen Ausblick in die Zukunft finden Sie im vollständigen Artikel unter unten angegebenem Link auf unserer Homepage und bei Solarserver.de.

Effizienz und Stabilität der Solarzellen als zentrale Herausforderungen

Auch das Berliner Hahn-Meitner-Institut (HMI) forscht gemeinsam mit der Freien Universität Berlin an organischen Solarzellen. Effizienz und Stabilität sind auch für die Berliner Wissenschaftler Schwerpunkte und zugleich Voraussetzungen für eine erfolgreiche Produktentwicklung. Die kostengünstige Produktion mit einer etablierten Dünnfilmtechnologie (z. B. Drucken), ein Wirkungsrad von 5 bis 10% sowie eine ausreichende Lebenszeit der Solarzelle sollen die Voraussetzungen schaffen, dass organische Solarzellen und/oder Polymersolarzellen in absehbarer Zeit eine wirkliche Konkurrenz zu den derzeit verwendeten PV-Technologien werden.

Bei Schott Solar steht heute die etablierte, kristalline Silizium-Technologie (Wafer-Technologie) im Vordergrund. „Die OPV hat noch einen enormen Entwicklungsbedarf. Wir sehen die realistische Chance, dass sie in absehbarer Zeit neue Marktsegmente für die Fotovoltaik erschließen kann“, kommentiert Dr. Martin Heming, Geschäftsführer der Schott Solar GmbH, den Start der Technologieinitiative. „Wenn wir es in unserem Entwicklungsverbund schaffen, OPV-Lösungen marktfähig zu machen, ist der Einstieg in die industrielle Fertigung von OPV-Komponenten eine interessante Zukunftsperspektive für Schott Solar“, betont Dr. Heming.

BASF und Bosch kooperieren zur weiteren Entwicklung der organischen Fotovoltaik auch mit der in Dresden ansässigen Heliatek GmbH für spezielle Forschungsarbeiten. Heliatek hat sich auf die Herstellung von Solarzellen mit einem „Rolle-zu-Rolle“-Fertigungsverfahren spezialisiert und arbeitet an einer besonders effizienten Technologie, um großflächige Module auf kostengünstigen, flexiblen Substraten herzustellen.

BASF forscht an halbleitenden organischen Materialen mit hoher thermischer und fotochemischer Stabilität. Sie stehen laut BASF am Anfang einer Systeminnovation und bestimmen wichtige Eigenschaften des Endprodukts.

Ein Euro pro Watt Leistung als Ziel

„Organische Fotovoltaik wird zu einem strategischen Schwerpunkt in unseren Wachstumsclustern Energiemanagement und Nanotechnologie“, sagt Dr. Stefan Marcinowski, Mitglied des Vorstands und Sprecher der Forschung der BASF. Als Kooperationsplattform für Partner aus Industrie und Hochschule dient das Joint Innovation Lab – Organic Electronics (JIL) der BASF in Ludwigshafen.

Im JIL forschen Experten unterschiedlicher Disziplinen außerdem an organischen Leuchtdioden (OLED), einer Technologie, die ebenfalls auf halbleitenden organischen Materialien aufbaut. Mit der neuen Technik soll bei vergleichbaren Bedingungen die Kostenschwelle von 1 € pro W PV-Leistung unterschritten werden.

Doch nicht nur im Land des Fotovoltaik-Weltmeisters werden die Potenziale der organischen Fotovoltaik-Alternative gesehen: Auch das australische Unternehmen Dyesol arbeitet an der Kommerzialisierung von Farbstoff-Solarzellen und berichtet von Fortschritten der Nanotechnologie, die zu einer Effizienzsteigerung seiner Farbstoffsolarzellen (FSZ) auf etwa 8% geführt hätten.

Dyesol kooperiert mit der Queensland University of Technology (QUT) zur Entwicklung modernster, experimenteller FSZ-Materialien. Ein Forschungsprojekt unter der Leitung von Professor John Bell von der Fakultät für Architektur und Technik an der QUT entwickelt neue Katalysator- und Elektrolytmaterialien zur Effizienzsteigerung von FSZ. Außerdem sollen die Leistungskennlinien neuer Materialkombinationen in Farbstoffsolarzellen erforscht werden. Das neue Projekt hat sich für gewerbliche FSZ eine 12%ige Effizienz (Wirkungsgrad) zum Ziel gesetzt.

*Rolf Hug ist Geschäftsführer und Chefredakteur des Online-Portals Solarserver.de

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