Strom aus Kunststoff legt zu
Wenn die Messe Intersolar (9. bis 11. Juni) in zwei Wochen in München zum Welttreffen der Solarbranche wird, dann wird es dort nicht nur um den bereits bestehenden Massenmarkt gehen. Die Zukunft steht mit auf dem Programm, und dazu zählt für viele in der Branche die organische Photovoltaik. Sie steht an der Schwelle zur Serienfertigung. Doch bei Wirkungsgrad, Kosten und Langlebigkeit gibt es noch viel zu tun.
New Bedford, Massachusetts, USA: Noch vor drei Jahren produzierte hier der mittlerweile insolvente Sofortbildkamera-Pionier Polaroid in seinem Werk Fotomaterial. Heute fertigt der US-amerikanische Photovoltaikhersteller Konarka dort Kunststoff-Solarzellen. Dafür nutzt das Unternehmen alte Produktionsanlagen von Polaroid. Denn die Fertigung der Zellen und der Instant-Filme haben eine Gemeinsamkeit: Bei beiden Produkten werden Moleküle in einem nasschemischen Druckverfahren auf ein Substrat aufgetragen.
Seit mehr als zwanzig Jahren arbeiten Forscher an solchen Solarzellen. Bei dieser sogenannten organischen Photovoltaik (OPV) ersetzen elektrisch leitfähige Polymere die konventionellen Halbleiter, die in kristallinen oder in herkömmlichen Dünnschichtmodulen Strom erzeugen. Die Materialen werden „von der Rolle“ auf leichte Trägerfolien aufgedruckt. Die Solarfolie bleibt dabei so flexibel, dass sie sich an nahezu beliebige Konturen anpassen lässt.
Jetzt steht die Technologie an der Schwelle zur Serienfertigung. Bereits im vergangenen Jahr kamen eher technische Spielereien, auch Gadgets genannt, auf den Markt. Dazu gehören zum Beispiel Rucksäcke mit integrierten organischen Solarzellen, die Strom für das Laden von Mobiltelefonen erzeugen.
Doch schon in drei Jahren soll – so eine Studie der VDMA-Arbeitsgruppe Organic Electronics Association – ein breites Angebot großflächiger Off-Grid-Produkte für die Gebäudeintegration erhältlich sein. Konarka hat 2009 als Pilotprojekt eine Vorhangfassade aus transparenten Kunststoffsolarzellen gefertigt und damit ein Bürogebäude ausgestattet.
In dieser gebäudeintegrierten Photovoltaik sieht Konstantinos Fostiropoulos, Leiter der Forschungsgruppe Organic Solar Cells am Helmholtz-Zentrum Berlin, auf lange Sicht – neben der Versorgung kleiner Elektrogeräte – das wichtigste Anwendungsfeld. „Organische Solarzellen können in vielerlei Farben hergestellt werden. Deshalb lassen sie sich als Gestaltungselemente nutzen, die zusätzlich Energie gewinnen“, so Fostiropoulos.
Noch ist die Leistung der Kunststoff-Photovoltaik sehr gering. Im Labor beträgt der Rekordwert momentan 7,7 %, erzielt von dem Dresdner Unternehmen Heliatek. Die bereits kommerziell verfügbaren Produkte kommen jedoch nicht über einen Wirkungsgrad von 2 % bis 3 % hinaus. Das soll sich allerdings schon bald ändern.
„Wir gehen davon aus, dass der Wirkungsgrad der im Markt verfügbaren Produkte in etwa fünf Jahren bei 5 % bis 10 % liegen wird“, meint Klaus Hecker, Managing Director der Organic Electronics Association. Heliatek-Geschäftsführer Andreas Rückemann will bis 2014 Module auf den Markt bringen, die einen Wirkungsgrad von 10 % und mehr erzielen. „Dies wollen wir vor allem durch eine Verbesserung der Absorber und durch eine Erhöhung der Beweglichkeit der Ladungsträger innerhalb des Zellaufbaus erreichen“, erläutert Rückemann.
Heliatek arbeitet mit einer Tandemtechnologie. Bei ihr werden zwei verschiedene organische Farbstoffe miteinander kombiniert. Einer absorbiert den kurzwelligen blauen und den grünen Anteil des Lichts, der andere den langwelligen roten Anteil.
Anders als die Produkte, die Konarka oder die US-amerikanischen Mitbewerber Plextronics oder Solarmer fertigen, lassen sich die Tandemzellen der Dresdner jedoch nicht im Druckverfahren herstellen. Stattdessen werden die organischen Moleküle im Vakuum verdampft. Anschließend kondensieren sie als wenige Dutzend Nanometer dünne Schicht auf dem Substrat.
„Im Vakuum lassen sich die Schichten präziser herstellen, auf Nanometer genau und mit der exakt gewünschten Zusammensetzung“, nennt Helmholtz-Forscher Fostiropoulos die Vorteile dieses Verfahrens.
Doch die Vakuumabscheidung ist der nasschemischen Technologie nicht zwangsläufig überlegen. „Nicht jedes Substrat ist für die Temperaturen im Vakuum geeignet“, sagt Fostiropoulos. Zudem bieten die Druckverfahren viel mehr Möglichkeiten bei der Wahl der Formate und Größen, meint der Berliner Forscher.
Noch ist die organische Photovoltaik mit Kosten von 8 €/W bis 10 €/W bezogen auf die Spitzenleistung extrem teuer. Allerdings sollen diese Werte in den nächsten Jahren stark fallen: „Es ist unser Ziel, die direkten Produktionskosten für OPV-Dünnschichtmodule auf 0,5 €/W Peak zu senken. Dies liegt deutlich unter den Zielkosten, welche die Kostenroadmap der derzeit führenden Dünnschichthersteller erkennen lässt“, sagt Rückemann.
Auch VDMA-Mann Hecker hält es langfristig für möglich, für 0,5 € pro Wattpeak zu fertigen. Dabei würden zum einen Skaleneffekte durch die starke Ausweitung der Produktion wirken, zum anderen setzt Hecker darauf, dass die schnelle Rolle-zu-Rolle-Produktion auf Standardfolien viel Potenzial zur Kostensenkung bietet.
Doch neben dem Wirkungsgrad und den Kosten müssen die Hersteller noch ein drittes Problem in den Griff bekommen: die Haltbarkeit der Module. Alle Kunststoffzellen leiden heute noch darunter, dass ihre Leistung innerhalb weniger Jahre stark nachlässt – egal, ob sie nasschemisch oder im Vakuum hergestellt wurden.
Als Ursache für die deutlich begrenzte Lebensdauer wird genannt, dass die leitfähigen Kunststoffschichten so dünn sind. Deshalb kann sich nach und nach ihre Struktur verändern. „Die geringe Menge des Materials bedingt, dass es hier auf jedes einzelne Molekül ankommt“, sagt Forscher Fostiropoulos.
Deshalb suchen Forschungsinstitute und Unternehmen jetzt nach Materialien und Strukturen, die erst dann photoaktiv werden, wenn sie in eine stabile Konfiguration übergehen. Rückemann ist sich sicher, dass auch dieses Problem schon bald bewältigt ist: „Heliatek hat sich das Jahr 2014 auch deshalb als Meilenstein gesetzt, weil bis dahin für Module in Leichtbauweise eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren garantiert werden kann.“
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