Organische Photovoltaik (OPV) holt auf
Die vierte Freiburger „Solar Summit“-Konferenz widmete sich, neben einer Bestandsaufnahme der Photovoltaik, speziell der organischen Photovoltaik und ihren Lösungsansätzen für höhere Wirkungsgrade, Langzeitstabilität und kostengünstige Fertigung. Die Lebensdauer bleibt – neben einem höheren Wirkungsgrad – die große Herausforderung für die Entwickler.
„Viele Wege führen nach Rom.“ Hans-Martin Henning, Vorstand des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, sieht die Entwicklung der Solarenergie, trotz politischer Gegenwinde, gelassen und gesichert. Er macht ein Lernkurvenpotenzial für rapide Kostendegression aus: Die Verzehnfachung des Marktvolumens drückt dabei den Preis um rund die Hälfte.
Die Fokussierung auf inkrementelle Fortschritte einer favorisierten Technologie wie der Photovoltaik wäre zu eng: „In Zukunft ist es wichtiger, neben den Kosten pro kWh auf den ganzheitlichen Wert zu schauen“, sagt Henning. Die nachhaltigen Energieformen sollten neben der Eindämmung des Klimawandels auch als langfristig diversifizierte Sicherungsstrategien der Primärenergieversorgung verstanden werden.
Organische Photovoltaik (OPV) ist eine junge Sparte der Mikroelektronik
Die historisch verlässliche Lernkurvencharakteristik gilt gerade für die organische Photovoltaik (OPV) als noch junge Sparte der Mikroelektronik. OPV eignet sich vor allem zur netzfreien Stromversorgung autonomer Verbraucher. Dazu zählen integrierte Photovoltaikanlagen für energieneutrale „Zero Energy“-Gebäude ebenso wie tragbare Datengeräte und Consumerprodukte. Dort kann sie, dank ihrer leichten und flexiblen Kunststoffsubstrate, strukturell günstig eingebettet werden.
Große Herausforderungen bestehen bei der hermetischen Verkapselung der Zellen gegen das Eindringen von atmosphärischem Sauerstoff, um eine praxiskonforme Langzeitstabilität zu erreichen. „Ohne Versiegelung“, sagt Uli Würfel vom Fraunhofer ISE, „ist die typische Lebensdauer einer Zelle gerade ein Tag. Um auf 1000 h zu kommen, muss man viele verschiedene Wege verfolgen.“ Das wäre gerade ein halbes Jahr. Ähnliche Anstrengungen gelten der seriellen Verschaltung der Zellen mit passablem Füllfaktor, ein wichtiges Maß für die Güte einer Solarzelle, das die Abweichung von einer Konstantstromquelle beschreibt.
Organische Photovoltaik (OPV) durch höhere Wirkungsgrade attraktiver machen
Zweiter Schwerpunkt der Entwicklungen ist ein höherer Wirkungsgrad. Er hat sich in den letzten fünf Jahren verdoppelt: auf aktuell ca. 8 % kommen Konarka, Heliatek, Solarmer und Mitsubishi. Eine 1,37 cm² große Zelle mit 9 % Wirkungsgrad und 69 % Füllfaktor kann Heliatek als letzte Errungenschaft vorweisen.
Die Entwickler setzen für ihre Neuentwicklungen auf neue Prinzipien. So bauen zum Beispiel Heliatek und Novaled auf die PIN-Struktur mit getrennt negativ und positiv dotierten Transportschichten über und unter der photoelektrisch aktiven Schicht. Andere Hersteller entwickeln komplexe Tandem- und Dreifachzellen, also Zellen mit mehreren aktiven Schichten. Dadurch verbreitert sich das Spektrum der Lichtabsorption.
In dieser Diskussion zeige sich, so Moritz Riede vom Institut für Angewandte Photophysik (iapp) der TU Dresden, die besondere Flexibilität der OPV beim Feintuning der Materialparameter.
Beim Feintuning der Materialparameter besonders flexibel: Organische Photovoltaik (OPV)
So kreist die Debatte im Moment um die Optimierung der Absorptionskurven und deren Nichtlinearitäten und Interferenzeffekte. Hier geht es etwa um den reflektierenden Zellhintergrund sowie die geeignete Dicke und Strukturierung der funktionalen Schichten einer Zelle.
Die wesentlichen Unterschiede zur etablierten anorganischen Siliziumtechnik bestehen im Absorptionsvorgang der eingestrahlten Photonen und im Leitungsmechanismus der dadurch gebildeten Exzitonen und deren Auftrennung in negative und positive Ladungsträger.
Daraus resultiert die funktionale OPV-Struktur mit Mischung oder Schichtung von Donor und Akzeptor. Dabei besteht die Donorphase aus einem Polymer oder einem Material mit „kleinen Molekülen“ (Porphyrin, Phtalocyanin), der Akzeptor aus Fulleren-Derivativen (C60).
Diese funktionale Schichtung wird entweder aus der Lösung aufgetragen oder gedruckt oder durch Aufdampfen im Vakuum (bei kleinen Molekülen) erstellt. Da verfolgt jeder Entwickler seine eigenen Ansätze der Materialauswahl und der molekularen Morphologie, mit speziellen Lösungen, Additiven, unterschiedlicher Deposition, Sinterung und Temperaturprofilen.
Als frontseitig lichtdurchlässige Anode fungiert bislang meist eine ITO-Beschichtung (Indium Tin Oxide) auf dem ebenfalls transparenten Substrat aus einer PET-Folie.
Es gibt jedoch einen starkem Trend zum Ersatz des teuren ITO durch fein strukturierte metallisch leitende Grids auf Plastik (PEDOT:PSS). Der Rückseitenkontakt besteht aus einem Metall, meist Aluminium. Invertierte Strukturen kehren diesen Aufbau um.
Alles deutet darauf hin, sagt Heliatek-Mitgründer Martin Pfeiffer, dass bis 2015 Zell-Wirkungsgrade von 12 % erreichbar sind, mit einer Stabilität von 90 % bei über 600 Betriebsstunden. Die Preisentwicklung prognostiziert er in Richtung 90 €/m2 aktiver Fläche – mit ähnlicher Kostendegression wie beim kristallinen Silizium.
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