Technologie

Höhere Wirkungsgrade bei organischer Photovoltaik

28.09.2020 - Neuer Rekord für organische Solarzellen mit mindestens einem Quadratzentimeter Fläche.

Die Forschung im Bereich der organischen Photo­voltaik arbeitet mit Nachdruck daran, die Wirkungs­grade weiter zu erhöhen. Neue Materialien aus der synthetischen organischen Chemie haben in den letzten Jahren deutliche Steigerungen des Wirkungs­grads ermöglicht. Eine der Heraus­forderungen ist dabei aller­dings, die oftmals auf sehr kleinen Labor­zellen erzielten Werte auf größere Flächen zu über­tragen. Das Fraun­hofer-Institut für solare Energie­systeme ISE erreichte jetzt zusammen mit dem Material­forschungs­zentrum der Universität Freiburg mit 14,9 Prozent einen neuen Rekord für organische Solar­zellen mit mindestens einem Quadrat­zentimeter Fläche – ein wichtiger Schritt für die Weiter­entwicklung dieser kosten­günstigen Technologie hin zu einer breiten Anwendungs­reife.

Das Fraunhofer-ISE arbeitet seit vielen Jahren in enger Kooperation mit dem Material­forschungs­zentrum an organischen Solar­zellen und -modulen. Das Ziel ist, zusammen mit Partnern aus der Industrie diese Technologie weiter­zu­entwickeln und kosten­günstig verfügbar zu machen. Deshalb liegt ein Fokus der Forschungs­arbeiten darauf, kosten­günstige und umwelt­freundliche Materialien einzu­setzen und ebensolche Prozesse für die Aufskalierung mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu entwickeln, um dann Solar­module wie Folien zu produzieren.

Die organische Photovoltaik kann aufgrund ihrer spezifischen Eigen­schaften zahl­reiche neue Anwendungs­felder erschließen. Organische Solar­zellen können ohne Verwendung von Schwer­metallen und anderen kritischen Elementen hergestellt werden, haben ein geringes Gewicht, sind mechanisch flexibel, lassen sich sehr gut integrieren, und sie haben auch bei semi­trans­parenter Bauart ein homogenes Erscheinungs­bild. Durch Auswahl organischer Halbleiter, die ausschließlich infra­rotes Licht absorbieren, können transparente Solar­zellen für Fenster und Agrar­schutz­folien oder Gewächs­haus­gläser entwickelt werden, die verschiedene Nutzen wie Schutz gegen Unwetter und Über­hitzung mit einer relevanten Strom­erzeugung verbinden können.

Da organische Solarmodule mit sehr geringem Einsatz an Material und Energie herge­stellt werden können, haben sie ein sehr hohes CO2-Einspar­potenzial, das durch diese synerge­tische Nutzung nochmals gesteigert wird. Somit kann die Technologie sowohl einen Beitrag zur Vermeidung als auch zur Anpassung an den Klimawandel leisten, indem sie aufwändige Schutz­anlagen in der Land­wirt­schaft über den Strom­ertrag refinanziert. Bis zur Produkt­reife gilt es aller­dings noch einige wichtige Entwicklungs­schritte erfolg­reich zu bestreiten.

Im Gegensatz zu anorganischen Solar­zellen besteht die Absorber­schicht organischer Solar­zellen nicht aus einem Material wie Silizium, sondern aus einem Donor-Akzeptor-Material­gemisch. Das 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, also 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 gut genug ausgenutzt werden.

Diese beiden Limitierungen konnten durch Material­innova­tionen über­wunden werden. Inzwischen werden als Akzeptor 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 nun 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 zugleich die Spannung erhöht wurde. So konnten weltweit inzwischen mit einer ganzen Reihe unter­schied­licher Absorber­materialien viel­ver­sprechende Wirkungs­grade erzielt werden.

Allerdings geschieht das im Allgemeinen auf sehr kleinen Zell­flächen von oft nur einigen Quadrat­milli­metern. Aus diesem Grund haben die Forscher am Fraunhofer-ISE bereits vor einiger Zeit ein Zell-Layout entworfen, das den photo­generierten Strom sehr effizient von der aktiven Zellfläche ableitet. „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 Quadrat­zenti­metern realisieren lässt. Die Ergebnisse stellten uns sehr zufrieden, da wir keinerlei Einbußen zu verzeichnen hatten“, sagt Birger Zimmermann, Teamleiter für Produktions­technologie organischer Solar­zellen am Fraunhofer-ISE.

Die zertifizierte Messung ergab den Wert von 14,9 Prozent. „Dies ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung“, ergänzt Uli Würfel, Leiter der Abteilung Organische und Perowskit-Photo­voltaik am Fraunhofer-ISE und Gruppen­leiter am Material­forschungs­zentrum. „Wir haben darüber hinaus noch ein paar Ideen, wie sich der Wirkungs­grad weiter steigern lässt.“

Dabei verlieren die Forscher nicht aus dem Blick, dass das über­greifende Ziel das im Rolle-zu-Rolle-Verfahren prozessierte Modul ist, bei dem noch weitere Rand­bedingungen erfüllt werden müssen. Nachdem zunächst auf kleiner Fläche in Labor­prozessen das Potenzial der neuartigen organischen Absorber­materialien gezeigt werden konnte, müssen anschließend Wege gefunden werden, wie sich dieses Potenzial möglichst voll­ständig in groß­flächige, leistungs­fähige Module umsetzen lässt.

Fh.-ISE / RK

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