Mehr Effizienz für organische Solarzellen

Photovoltaik-Module sind immer noch verhältnismäßig klobig und schwer. Aber Strom aus Sonnenlicht lässt sich auch anders herstellen. Gedruckte organische Solarzellen könnten als transparente Fensterfolie, auf Fahrzeugen oder auf Kleidung ihren Platz finden. Fahrzeuge, Smartphones und andere elektrische Geräte könnten mit diesen Solarfolien ummantelt werden und bräuchten keine Ladegeräte mehr. Eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) jüngst eingerichtete Forschungsgruppe unter Federführung der TU Chemnitz will nun den Weg dafür freimachen.

Die Leitung der Gruppe „Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren“ liegt bei Carsten Deibel an der Technischen Universität Chemnitz. Deibel hat die Professur für Optik und Photonik kondensierter Materie inne. An der TU Chemnitz sind vier Fachgruppen beteiligt. Hinzu kommen Arbeitsgruppen an der Universität Bayreuth, der TU Dresden sowie an den Universitäten Heidelberg, Nürnberg-Erlangen, Potsdam und der britischen Universität Durham.

Wirkungsgrad ist noch zu gering

Die Forschungsgruppe soll klären, wie gedruckte organische Solarzellen kostengünstig und auf breiter Basis hergestellt werden können. Denn bisher ist es nicht gelungen, Solarzellen zu produzieren, die beides vereinen: Eine hohe Stabilität, die verhindert, dass die Solarzellen schnell altern und ihre Leistungsfähigkeit verlieren. Und die obendrein das Sonnenlicht mit hoher Effizienz in Elektrizität umwandeln. Gegenwärtig liegt der Wirkungsgrad organischer Solarzellen bei 7 Prozent. In der Forschung sind auch schon 12 Prozent erreicht worden. Zum Vergleich: Kristalline PV bringt es heute auf rund 20 Prozent.

Gedruckte organische Solarzellen haben viele Vorteile. Sie bestehen überwiegend aus Kohlenstoff und lassen sich mit geringem Energieaufwand in großen Stückzahlen produzieren. Man könnte sie sogar mit ähnlichen Maschinen drucken wie heute schon Zeitungs- oder Buchseiten. Sie lassen sich als Rollen lagern und dort anbringen, wo die Installation herkömmlicher Solarzellen bislang schwierig oder sogar unmöglich ware.

Auch als Designelement geeignet

„Diese Solarzellen sind so dünn, dass sie extrem flexibel sind“, sagt Deibel. Zudem können sie bei Bedarf durchscheinend produziert werden. Der Druckprozess erlaubt eine kostengünstige und schnelle Herstellung. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen eignen sie sich gut für den Einsatz als Designelemente in der Architektur, zum Beispiel an Fassaden oder Fenstern“, so Deibel. „Diese kohlenstoffbasierten Materialien und die daraus hergestellten photovoltaischen Bauteile werden aktuell weltweit intensiv erforscht, da sie das Potential haben, schnell und mit vergleichsweise wenig Energieaufwand hergestellt werden zu können“, berichtet er.

Diese Materialien werden als so genannte „Druckfarben“ verarbeitet. Diese Farben bestehen aus leitfähigem organischen Material und einem Lösungsmittel. Diese Flüssigkeit kann ähnliche wie Druckfarbe aus dem Zeitungsdruck auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Dadurch können Solarzellen ähnlich wie Zeitungen sehr günstig in großen Mengen gedruckt werden.

Herstellung mit Druckmaschinen

Für die Herstellung kommen Massendruckverfahren wie Tief-, Flexo- oder Offsetdruck in Frage. In die Druckplatte werden dabei die Strukturen eingeprägt. Diese Strukturen nehmen dort Farbe auf, wo Solarzellen aufgedruckt werden sollen. Andere Strukturen, in die vorher oder nachher elektrische Verbindungen gedruckt werden, bleiben dabei leer.

Die Druckfarben bestehen aus zwei Arten von organischen Halbleitern oder Polymeren, die Licht sehr gut absorbieren und diese Energie dann in Strom umwandeln. „Dafür müssen die Materialien elektrisch leitfähig sein“, erklärt Deibel. Man verwendet quasi Druckfarben, die aus diesen beiden organischen Halbleitern und einem Lösungsmittel bestehen. Zusammen bilden sie eine druckbare Flüssigkeit.

Dünner als ein Menschenhaar

Allerdings macht der Herstellungsprozess noch Probleme. Die stehen bislang einer Markteinführung entgegen. Ein Problem ist Abscheidung der organischen Schichten aus den ‚Druckfarben‘. Diese Schichten sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar, aber der Druckprozess ist noch nicht präzise genug kontrollierbar. Die Wissenschaftler können zur Zeit nicht exakt vorhersagen, wie gut die gedruckten Solarzellen funktionieren, wenn das Lösungsmittel getrocknet ist. Zudem vertragen die Solarzellen zusätzliche Wärme nicht besonders gut, weil sich die gedruckten Schichten entmischen können. Die Lösung des Problems könnte darin bestehen, statt der zwei Halbleiter nur einen einzigen zu verwenden. Dieser müsste dann die Eigenschaften der beiden Materialien verbinden. Die damit gedruckten Solarzellen wären langfristig stabil.

Erste Anwendung im Münsterland

Das größere Problem ist der Wirkungsgrad der Solarfolien, der noch deutlich unter dem herkömmlicher kristalliner Solarzellen liegt. Ein Team um Eva Herzig an der Universität Bayreuth sucht nach Lösungen für dieses Problem. Die Wissenschaftler untersuchen die aktive Schicht der organischen Solarzellen. Sobald Sonnenlicht auf diese Schicht aus organischen Halbleitern fällt, lösen sich Elektronen aus ihren molekularen Verbindungen. Freie Ladungsträger entstehen – und der Strom beginnt zu fließen.

Das Herzig-Team sucht nun nach Wegen, diese Umwandlung des Sonnenlichts in freie Ladungsträger effizienter zu machen. „In Bayreuth wollen wir untersuchen, wie sich die Anordnung der Moleküle in der aktiven Schicht beeinflussen lässt, wenn organische Solarzellen gedruckt werden. Eine weitere zentrale Frage ist es, wie stabil diese gezielte Nanostrukturierung in der fertig gedruckten Solarzelle sein wird“, erläutert Herzig.

Organische Solarfolien etwa für Häuserfassaden sind bereits am Markt verfügbar und wurden beispielsweise kürzlich in die Fassade des neuen Verwaltungsgebäudes der Stadtwerke Gronau eingesetzt. Allerdings ist der Flächenbedarf der solaraktiven Fassadenelemente durch den geringeren Wirkungsgrad immer noch recht hoch.