Erneuerbare Energie
Technischer Durchbruch bei organischen Solarzellen

Organisches Solarzellenmodul
Organisches Solarzellenmodul

Organische Solarzellen stehen für eine noch junge Tech­no­logie der Solarstromerzeugung, das bisher noch keine aus­rei­chende Effizienz vorweisen konnte. Jetzt ist es einem For­scher­team um Dr. Uli Würfel vom Freiburger Material­for­schungs­zentrum (FMF) gelungen, den weltweit besten Wert beim Füllfaktor für flexible organische Solarzellen und damit einen technischen Durchbruch zu erzielen. Der Füll­faktor ist ein wichtiges Qualitäts­merk­mal, das neben dem Kurzschlussstrom und der offenen Klemmenspannung die Effizienz der Solarzelle und damit die Leistungsausbeute bestimmt.

Die Wissenschaftler des FMF arbeiten schon länger in enger Kooperation mit ihren Kollegen vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) an der Optimierung organischer Solarzellen. Mit dem Ziel, leichte und flexible Solarzellen zu entwickeln, forschen die beiden Institute an leitfähigen Kunststoffen für den Einsatz in der organischen Photovoltaik. Mit diesen soll es in Zukunft möglich sein, neben der Versorgung mobiler Kleingeräte auch Rollos und Markisen mit einer dünnen, Strom erzeugenden Folie zu versehen und so neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Die organische Photovoltaik ist im Vergleich zur bereits etablierten Silizium-Photovoltaik ein junges Forschungsgebiet, das sich in den letzten Jahren mit großer Dynamik weiterentwickelt hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen, bereits auf dem Markt etablierten Solarzellen aus anorganischen Halbleitern nutzen organische Solarzellen für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie organische Materialien wie beispielsweise Polymere.

Wichtig für den Einsatz von Solarzellen sind neben dem Wirkungsgrad vor allem ihre Herstellungskosten. Hier besitzt die organische Photovoltaik ein enormes Potenzial, diese Kosten zu senken. Dies liegt zum einen daran, dass die verwendeten organischen Materialien sehr starke Absorber sind, das heißt, es reicht bereits eine extrem dünne Schicht aus, das Sonnenlicht zu absorbieren, was wiederum einen niedrigen Materialverbrauch zur Folge hat. Zum anderen lässt sich diese Technologie mit Hilfe der äußerst effizienten Rolle-zu-Rolle Produktionstechnologie umsetzen. Daraus resultieren weitere Vorteile wie etwa die Möglichkeit, flexible Solarzellen mit geringem Gewicht herstellen zu können.

Mit dem für die photoaktive Schicht eingesetzten Materialsystem werden auf kleinen Flächen üblicherweise Effizienzgrade von etwas mehr als 3 % erreicht. Mit einem Modul-Wirkungsgrad von 2,5 % auf der aktiven Fläche von mehr als 25 Quadratzentimeter konnte nun die elektrische Serienverschaltung erfolgreich demonstriert werden. Damit haben die Freiburger Forschern nicht nur einen vielversprechenden Effizienzgrad erreicht. Sie konnten auch den für flexible organische Solarmodule weltweit höchsten Füllfaktor mit 64 % realisieren.

Ebenfalls ein für die Kosten entscheidender Vorteil ist die Tatsache, dass die in Freiburg entwickelten organischen Solarzellen aufgrund eines seitenverkehrten Aufbaus ohne die üblicherweise in organischen Solarzellen verwendete und sehr teure Indium-Zinnoxid Elektrode auskommen.

Die bislang im Labor gefertigten Module bestehen aus elf in Serie geschalteten Zellen und liefern eine Spannung von 6,5 Volt. Als Prototypen im Rahmen eines Projekts dienen sie zur Versorgung eines energieautarken Sensorsystems, das in Kleidung integriert werden soll. Verschiedene Sensoren zur Erfassung von Umwelt- und physiologischen Parametern können eingebunden werden.

Die Forschungsarbeiten zur organischen Photovoltaik am FMF werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie die Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) gefördert und von Industriepartnern unterstützt.

(Fraunhofer ISE / ml)