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Pilotanlage: Im Labor entstehen bereits organische Solarzellen - und die Forschung geht weiter.
Erneuerbare Energien

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Die nächste Photovoltaik-Generation

Text: Dr. Thomas Isenburg für Energy 2.0 Fotos: Heliatek, BASF
Ständig neue Rekordwirkungsgrade in der organischen Photovoltaik belegen, dass es im Rennen um eine Alternative zu Silizium heiß hergeht. Im Labor dienen nun erstmals anorganische Farbstoffe anstelle von organischen Molekülen als Quelle für den Sonnenstrom der Zukunft.

Bislang dominieren Siliziumsolarzellen den Photovoltaik-Markt mit über 80 Prozent und einer Effizienz von 15 bis 22 Prozent bei der Energieumwandlung. Ihre Produktion ist jedoch teuer, unter anderem wegen des hohen Energiebedarfs bei der Siliziumherstellung. Weltweite Überkapazitäten führten daher zum Exitus von über 70 Unternehmen, erklärt BASF-Chemiker Dr. Peter Erk, der sich bei der BASF mit Solarenergie beschäftigt. Daher fordert der Markt Entwicklungstrends der Branche, höhere Durchsätze bei der Solarzellenproduktion sowie größere Effizienzen bei der Energieumwandlung.

Organische Farbstoffe als Alternative

Darauf reagiert der Chemiekonzern BASF mit der Entwicklung von Solarzellen auf organisch chemischer Basis. Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer speziellen Elektronenstruktur. Den Prozess der Ladungstrennung bestimmen im Wesentlichen organisch chemische Farbstoffe.

Zur Deutung entwickelten Chemiker und Physiker ein sogenanntes Donator-Akzeptor-Modell. Nach diesem Modell werden Donator- und Akzeptorschichten aufeinander geschichtet. Die Absorption von Licht führt zu einer Ladungstrennung, indem die Donatorschicht Elektronen an die empfangende Akzeptorschicht abgibt. Per Stromfluss lässt sich die Ladungstrennung wieder ausgleichen.

Diese OPV-Energiewandler (Organische Photovoltaik) sind wesentlich günstiger herzustellen und umweltfreundlicher als ihre Geschwister aus Silizium. Dabei ist die Energieeffizienz bei der Umwandlung zwar in den letzten drei Jahren von sechs auf zwölf Prozent gestiegen, jedoch ist dieser Wert noch deutlich kleiner als bei den über 20 Prozent erreichten Effizienzen der Siliziumsolarzellen, analysiert Erk.

Die Herstellung

Zur Herstellung beschichtet man bislang Polyesterfolien mit den photoaktiven organisch chemischen Stoffen. Diese Stoffe sind für die Ladungstrennung auch bei der Einstrahlung von diffusem Sonnenlicht und dem folgenden Stromtransport verantwortlich. Dabei beträgt die Schichtdicke wenige Mikrometer. Hierdurch reduziert sich der Materialverbrauch im Vergleich zu Siliziumsolarzellen um den Faktor 100.

Der Fertigungsprozess benötigt Herstellungstemperaturen von lediglich 150 Grad Celsius, ein deutlicher Vorteil gegenüber dem thermisch wesentlich anspruchsvolleren Fertigungsverfahren für Siliziumsolarzellen. Seit März 2012 stellt Heliatek, der Kooperationspartner der BASF, solche Folien in einer Pilotanlage her.

Zur Stromproduktion sollten Solarzellen einen möglichst großen Teil des durch die Sonne verstrahlten Lichtes absorbieren. Die Sonne verschickt Licht ganz unterschiedlicher Wellenlängen, deren Zusammenfassung die Physiker Spektrum nennen. Je mehr von dem gesamten Sonnenspektrum ein Solarzellentyp absorbieren kann, desto mehr Strom produziert sie.

Anorganische Farbstoffe als Variante

Die BASF testet jetzt Abkömmlinge des Minerals Perowskit für die Solarzellen in der Geometrie von Folien. Die Perowskite bestehen aus Blei und Iod und können den Wert bei der Energieumwandlung des Sonnenlichts in die elektrische Form unter Laborbedingungen bis auf 13 Prozent steigern.

Im Unterschied zu dem bisher bekannten, gehören die Perowskite zur Gruppe der anorganischen Farbstoffe. Sie sollen die Effizienz bei der Energiewandlung weiter steigern. 2012 hat eine Forschungsgruppe in Oxford erstmals über zehn Prozent Effizienz mit einem speziellen Perowskit-Absorber in einer optimierten Zell-Architektur erzielt.

Diese Perowskit-Absorber sind zunächst gelöst und können prinzipiell in einem kontinuierlich zu führenden Beschichtungsprozess auf verschiedenen, auch flexiblen Materialien aus Metall oder Kunststoff abgeschieden werden. Sie sind die ersten anorganischen Absorbermaterialien, die bei niedrigen Temperaturen unter 150 Grad Celsius unter normalen atmosphärischen Bedingungen zu dünnen Filmen verarbeitet werden können.

Stand der Entwicklung

„Das genaue Funktionsprinzip dieser Zellen wird zur Zeit noch erforscht," sagt Erk. Prinzipiell tritt das Perowskit-Material als Lichtabsorber an die Stelle des organischen Farbstoffs und ist als Halbleiter am Ladungstransport beteiligt. Derzeit werden die neuen Zellen im Labor optimiert.

Dabei stehe die Entwicklung noch am Anfang, und es gibt zahlreiche Herausforderungen auf dem Weg zu einem Produkt, erklärt Erk. Ein aus Sicht der BASF entscheidender Schritt wird die Identifizierung geeigneter nicht bleihaltiger Absorber sein. Erst nach Abschluss dieser Arbeiten werde man laut Erk eine Zellen- oder Modulentwicklung planen können.

Dann ließen sich Zellen und Module auf Folie zum Beispiel in die Hüllen von Fahrzeugen und Gebäuden integrieren. Bei integrierten Modulen könne sich zusätzlich eine Ersparnis bei den Installationskosten zum Beispiel in der Gebäudeintegration ergeben, die letztlich zu niedrigeren Gesamt-Systemkosten führe, sagt der Chemiker.

Bislang bestehen für die in Folien integrierten Solarzellen eher Nischenanwendungen, in Rucksäcke und Kleidungen integriert zum Laden von Laptops und Mobiltelefonen.

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