26.10.2021 | Organische Solarzellen

Eine Technologie für die Zukunft?

Heute setzt man beim Bau von PV-Anlagen meist auf Solarzellen aus Silizium. Forschende und Industrie arbeiten aber auch an der Entwicklung von organischen Solarzellen. Sie sind leicht, biegsam, umweltfreundlich und günstig zu produzieren. Noch sind sie aber im Wirkungsgrad herkömmlichen Solarzellen unterlegen. Doch die Forschung macht Fortschritte. 

Neben kristallinen und amorphen Solarazellen (mehr Infos hier), gibt es auch noch organische Solarzellen. «Organic Photovoltaics» (OPV) funktionieren prinzipiell genauso wie kristalline Module und der Solarstrom lässt sich über organische Moleküle oder Polymere erzeugen. OPV bestehen aus verschiedensten Werkstoffen der organischen Chemie, das heisst aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Sie werden deshalb auch Kunstoff- oder gar Plastiksolarzellen genannt. Die Elektroden bestehen aus Metallen oder anorganischen Oxiden, zum Beispiel Indium-Zink-Oxid. 

Es gibt unzählige Möglichkeiten organische Halbleiter herzustellen. (Mehr Infos dazu hier) Forschende müssen deshalb nach den besten Materialen suchen, um möglichst einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Das lässt sich aber nur in einem «Trial-and-Error»-Verfahren herausfinden. 

Vor- und Nachteile von organischen Solarzellen

Der Vergleich zwischen OPV und den heute üblichen kristallinen Solarzellen zeigt eine Reihe von Vorteilen, aber auch Nachteile.

Positiv sind: 

  • Die Herstellung von organischen Solarzellen ist viel weniger energieintensiv als jene von kristallinen Solarzellen, da es dafür kein Hochtemperaturverfahren braucht. OPV sind leicht, biegsam und aufgrund ihrer geringen Herstellungskosten deutlich preiswerter als herkömmliche Solarzellen.
  • Für die Herstellung von OPV wird nur wenig Material benötigt. Organische Solarzellen lassen sich auf starren, aber auch auf flexiblen Trägermaterialien auftragen. Weil bei der Herstellung keine gefährlichen Stoffe eingesetzt werden, sind organische Solarzellen sehr umweltfreundlich.
  • OPV weisen ein sehr breites Lichtspektrum auf und verhalten sich auch bei Schwachlicht gut. 

Negativ ins Gewicht fallen: 

  • Der Wirkungsgrad von organischen Solarzellen ist im Vergleich mit herkömmlichen Solarzellen deutlich kleiner. Im Schnitt liegt er bei rund 7 bis 8 Prozent, derweil er bei kristallinen Solarzellen rund 20 Prozent beträgt. Immerhin: In Laborsituationen konnten unter anderem mit Materialien aus der synthetisch organischen Chemie bereits deutlich bessere Resultate erreicht werden. So erreichte etwas das Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit dem Freiburger Materialforschungszentrum der Uni Freiburg einen Wirkungsgrad von 14,9 Prozent.
  • Der Flächenbedarf von OPV ist hoch. Zudem ist das Verhalten organischer Solarzellen auf Wettereinflüsse und Langzeitbestrahlung noch ungenügend erforscht.
Viele Einsatzmöglichkeiten

Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften können organische Solarzellen in vielen Bereichen zum Einsatz kommen. Sie können in Fassaden und Gebäuden integriert werden. Sie können dank ihrer Transparenz auch in Glasflächen eingesetzt werden und bieten daher interessante Anwendungsfelder für die Baumaterial- und Autoindustrie. 

Da organische Solarzellen auch unter Schwachlicht-Bedingungen hohe Wirkungsgrade erzielen, wird der Technologie auch eine hohe Bedeutung als Stromquelle im Internet der Dinge (IoT) beigemessen, da sie damit besonders effizient in Innenräumen und unter künstlichen Lichtbedingungen ist.

Die aus dünnen Folien bestehenden organischen OPV könnten auch als Beschichtung auf Kleider aufgetragen werden. Mit dem so erzeugten Strom liessen sich dann beispielsweis im Alltag das Handy aufladen.

Solarzelle mit Zukunft

Die Forschenden arbeiten derzeit mit Nachdruck daran, den Wirkungsgrad organischer Solarzellen weiter zu erhöhen – um diesen aktuell noch entscheidenden Nachteil zu kristallinen Solarzellen zu reduzieren. 

Das Potenzial dazu, wäre jedenfalls vorhanden. Denn herkömmliche kristalline Siliziummodule, die gegenwärtig einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent erreichen, sind in ihrer Entwicklung beschränkt. Sie können aus physikalischen Gründen nur etwa 30 Prozent der einfallenden Sonneneinstrahlung nutzen, was dem möglichen Wirkungsgrad relativ enge Grenzen setzt. Eine derartige obere Schranke existiert für organische Solarzellen nicht. Das liegt einerseits daran, dass ständig neue Materialien entwickelt werden, deren genaue Eigenschaften heute noch niemand kennt. Und es liegt andererseits daran, dass sogenannte Tandem-Solarzellen sehr viel einfacher und billiger zu realisieren sind. Tandem-Solarzellen bestehen aus mehreren übereinanderliegenden Schichten von Halbleitern, die unterschiedliche Teile des Lichtspektrums nutzen. Organische Halbleiter werden in dünnen Schichten aufgedampft. Mehrschichtige Solarzellen können daher recht einfach hergestellt werden.

Entsprechend glauben Photovoltaik-Experten, dass sich organische Solarzellen langfristig durchsetzen werden. So ist Prof. Dr. Andreas Bolt, Forschungsleiter am Fraunhofer ISE überzeugt, dass es ihnen gemeinsam mit Industriepartner gelingen wird, OPV weiter zur Marktreife zu führen. «Diese Technologie, mit ihren flexiblen Anwendungsmöglichkeiten ist langfristig ein wichtiger Baustein für den dringend notwendigen Ausbau der Photovoltaik als wichtigstem Pfeiler der Energiegewinnung in einem nachhaltigen System.»

 

Mehr zum Thema Solar gibt es auch hier:

Alexandre Edmond Bequerel und die Geschichte der Photovoltaik

Solaranlage: So geht's

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