Organische Photovoltaik 02.11.2020, 10:11 Uhr

In kleinen Schritten zu höheren Wirkungsgraden

Seit vielen Jahren arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) daran die Wirkungsgrade von organischen Photovoltaik-Modulen peu à peu zu steigern. Auf dem Weg zur Serienfertigung ist nun ein weiterer wichtiger Schritt gelungen.

Flexible, transparente organische Solarmodule können neuartige Anwendungsfelder erschließen. Foto: Fraunhofer ISE

Flexible, transparente organische Solarmodule können neuartige Anwendungsfelder erschließen.

Foto: Fraunhofer ISE

Das langfristige Ziel ist, organische Solarmodule ähnlich wie Folien, von der Rolle produzieren zu können. Gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg testet das Fraunhofer ISE deshalb kostengünstige und umweltfreundliche Materialien, die eine Aufskalierung mittels Rolle-zu-Rolle ermöglichen. Erfolgversprechend verliefen Versuche mit Materialien aus der synthetischen organischen Chemie. Sie haben in den vergangenen Jahren deutliche Steigerungen des Wirkungsgrads möglich gemacht. Eine der Herausforderungen ist dabei, die oftmals auf sehr kleinen Laborzellen erzielten Werte im nächsten Schritt erfolgreich auf größere Flächen zu übertragen. Jetzt ist es den Forschern gelungen einen neuen Rekordwert zu erzielen: Ein Wirkungsgrad von 14,9 % auf 1 cm2 Fläche.

Die Wissenschaft sieht großes Potenzial in der Organischen Photovoltaik: Die Solarzellen haben ein geringes Gewicht, können ohne Verwendung von Schwermetallen oder anderen kritischen Elementen hergestellt werden, sind mechanisch flexibel, lassen sich sehr gut integrieren und erschließen mit diesen vielfältigen Vorzügen etliche Anwendungsfelder. Durch Auswahl organischer Halbleiter, die ausschließlich infrarotes Licht absorbieren, können transparente Solarzellen beispielsweise für Fenster und Agrarschutzfolien oder Gewächshausgläser entwickelt werden. Dabei kombinieren sie den Schutz gegen Unwetter und Überhitzung mit einer umweltschonenden Stromerzeugung. Da organische Solarmodule mit sehr geringem Einsatz an Material und Energie hergestellt werden können, haben sie zudem ein sehr hohes CO2-Einsparpotenzial.

Höhere Stromausbeute durch den Einsatz neuer Materialien

Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen wie beispielsweise aus kristallinem Silicium besteht die Absorberschicht organischer Solarzellen nicht aus einem Material, sondern aus einem sogenannten Donor/Akzeptor-Materialgemisch. Dies ist notwendig, da die Ausbeute an freien Ladungsträgerpaaren sonst zu gering wäre. Nach der Absorption von Photonen kommt es sehr schnell zu einem Ladungsträgertransfer an der Grenzfläche der beiden Materialien. In der Vergangenheit wurden als Akzeptor zumeist Fullerene, sprich C60-Derivate verwendet. Dabei kam es beim Ladungstransfer in der Regel zu einem erheblichen Energieverlust, der die Spannung der Solarzelle entsprechend reduzierte. Zudem absorbieren Fullerene nur sehr wenig Sonnenlicht, weshalb der Strom hauptsächlich durch die Donorkomponente generiert wurde. Da organische Halbleiter meist nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich absorbieren, konnte dadurch das Sonnenspektrum nicht optimal ausgenutzt werden. Durch Materialinnovationen ist es mittlerweile jedoch gelungen, diese beiden Limitierungen zu überwinden. Als Akzeptor werden nun Moleküle verwendet, die den Donormaterialien deutlich ähnlicher sind und deren optische und elektrische Eigenschaften durch Modifikation der chemischen Struktur besser angepasst werden können. Dadurch, dass die neuen Akzeptoren selbst starke Absorber sind, konnte der Strom der Solarzellen erheblich gesteigert werden. Parallel dazu wurden die energetischen Niveaus von Donor und Akzeptor besser aneinander angepasst, so dass auch die Spannung erhöht wurde. Weltweit konnten auf diese Weise inzwischen mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien vielversprechende Wirkungsgrade erzielt werden.

Hoher Wirkungsgrad auch auf größerer Zellfläche

Allerdings geschieht das im Allgemeinen auf sehr kleinen Zellflächen von oft nur einigen Quadratmillimetern. Deshalb haben die Forscher am Fraunhofer ISE bereits vor einiger Zeit ein neues Zell-Layout entworfen. Es leitet den photogenerierten Strom sehr effizient von der aktiven Zellfläche ab. „Als wir nun hohe Wirkungsgrade mit einem kommerziellen Absorbermaterial auf kleinen Laborzellen erreichten, wollten wir wissen, ob sich das auch auf der größeren Fläche von 1,1 cm2 realisieren lässt“, erläutert Dr. Birger Zimmermann, Teamleiter für Produktionstechnologie Organischer Solarzellen am Fraunhofer ISE. Mit den Ergebnissen war er sehr zufrieden. Es waren keine Einbußen zu verzeichnen. Die zertifizierte Messung im CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE ergab einen Wert von 14,9 %. „Dies ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung“, so Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE und Gruppenleiter am FMF der Uni Freiburg. Darüber hinaus habe man noch weitere Ideen, wie sich der Wirkungsgrad erneut steigern lasse. „Gemeinsam mit Industriepartnern werden wir die Organische Photovoltaik weiter zur Marktreife führen“, bekräftigt Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett. Die Technologie, mit ihren flexiblen Anwendungsmöglichkeiten sei langfristig ein wichtiger Baustein für den dringend notwendigen Ausbau der Photovoltaik als wichtigstem Pfeiler der Energiegewinnung in einem nachhaltigen System.

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