43 % durchsichtig und trotzdem Solarzelle: Freiburger lösen ein wichtiges Fertigungsproblem

Ein Quadrat aus Glas, etwas größer als eine Hand. Wer hindurchblickt, sieht die Umgebung, aber mit einem leichten Graustich wie durch eine Sonnenbrille. Was man nicht sieht: In der Scheibe stecken mehr als 100 Solarzellen, und sie liefern Strom.

Gebaut haben das Modul Forschende der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Es soll im Schnitt 43,2 % des sichtbaren Lichts durchlassen und trotzdem bis zu 9,26 % Wirkungsgrad erreichen. Die Ergebnisse erschienen Anfang August im Fachjournal Joule.

Durchsichtige Solarzellen aus organischen Halbleitern gibt es bereits, in Nischen auch zu kaufen. Der Fortschritt sei die Herstellung, meldete das ISE am 24. August. Demnach entstand das Modul mit Verfahren, die in der Industrie bereits etabliert sind und sich laut den Forschenden gut skalieren lassen.

.

Warum gute Laborzellen selten in der Fabrik ankommen

Im Labor entstehen organische Solarzellen meist auf wenigen Quadratzentimetern und von Hand, etwa per Schleuderbeschichtung: Ein Tropfen Lösung landet auf einem rotierenden Glasplättchen und verteilt sich gleichmäßig. Auf Flächen von der Größe einer Fensterscheibe lässt sich das nicht übertragen.

„Die Hochskalierung auf große Flächen ist eine der großen Herausforderungen bei der organischen Photovoltaik“, sagt Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Gute Laborergebnisse ließen sich oft nicht in die industrielle Fertigung übertragen, heißt es in der Pressemitteilung des Instituts.

Bei durchsichtigen Zellen kommt ein zweites Problem hinzu: der Zielkonflikt zwischen Transmission und Absorption. Licht, das durch die Scheibe wandert, steht nicht mehr für die Stromerzeugung im Absorber zur Verfügung. Forschende rechnen deshalb mit der Lichtnutzungseffizienz, kurz LUE, dem Produkt aus Wirkungsgrad und Transparenz. Kleine Laborzellen auf Glas sollen hier laut der Joule-Studie bis zu 6 % erreichen, auf Modulgröße sei dieser Wert bislang deutlich gesunken. Die Freiburger Module kommen nach Angaben des Fraunhofer ISE auf bis zu 4 %.

So entstand das Modul

Die Freiburger setzten auf zwei Verfahren, die in der Industrie etabliert sind.

• Zuerst wird die Rückelektrode per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht; sie reflektiert nahes Infrarot zurück in die Zelle.
• Alle weiteren Schichten folgen per Slot-Die-Beschichtung: Eine Schlitzdüse zieht die Lösung als gleichmäßigen Film über das Substrat, mit kontrolliertem Nachschub und reproduzierbarer Dicke. Das Verfahren ist mit Rolle-zu-Rolle-Fertigung kompatibel.

So entstanden die Absorberschicht aus organischen Halbleitern und eine metallfreie Deckelektrode aus dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS, laut Fraunhofer ISE in mehreren Lagen. Die Formulierung dafür entwickelte Heraeus Epurio; sie habe zur höheren Transparenz beigetragen. Per Laser verschaltete das Team mehr als 100 Zellen zu einem Modul.

„Dass wir nun zum ersten Mal erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen per industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch“, so Würfel.

Weil Slot-Die auch auf Folie funktioniert, fertigte das Team erste biegsame Module. Nach 1275 Biegezyklen über einen Stab mit 15 mm Durchmesser hätten sie 100 % ihrer Effizienz behalten, sagt Mathias List, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ISE. Die Folien lieferte ROWO Coating. Größere Flächen seien hier der nächste Schritt.

Autodach vor Fensterscheibe

Wo könnten solche Scheiben zuerst eingesetzt werden? Für den Einsatz als Fensterglas zielt das Fraunhofer ISE auf Lichtdurchlässigkeiten deutlich über 50 %. Die 43,2 % des Freiburger Moduls liegen noch darunter.

Sie passen laut Institut aber dorthin, wo getönte Gläser ohnehin erwünscht sind, etwa auf Autodächer oder Fassadenelemente. Würfel gibt sich zuversichtlich: „Jetzt, wo wir den Fertigungsprozess unter Kontrolle haben, sind wir optimistisch, dass wir die Transparenz noch deutlich steigern können, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen.“

Was zum Kraftwerk-Fenster noch fehlt

Wichtig zur Einordnung: 9,26 % Wirkungsgrad sind weniger als die Hälfte dessen, was handelsübliche Siliziummodule leisten, und bei einem Fenster, das die Hälfte des Lichts durchlassen soll, dürfte der Wert weiter sinken. 14,5 cm Kantenlänge sind außerdem noch immer ein Labormaßstab, denn eine Fensterscheibe ist in der Regel deutlich größer.

Heliatek aus Dresden verkauft organische Solarfolien seit Jahren, das französische Unternehmen ASCA ebenfalls, beide in Nischen. ASCA war sogar am Freiburger Vorhaben beteiligt. Die Ergebnisse stammen aus dem Projekt „Durchblick-PV“, gefördert vom Bundeswirtschaftsministerium, mit Heraeus Epurio, ROWO Coating, ASCA und der Universität Freiburg als Partnern.

Als Nächstes will das Team die Transparenz deutlich steigern und die Folienmodule vergrößern. Im Labor liefen die Module laut Studie 1000 h unter Dauerlicht, mit leichter Degradation, die die Autoren vor allem auf die PEDOT:PSS-Deckelektrode zurückführen. Wie viele Jahre sie im Freien halten würden, ist bislang offen; zu den Kosten macht das Institut keine Angaben.