Organische Solarmodule punkten mit ihrer Flexibilität, Transparenz und ihrer besonders guten Ökobilanz. Für einige Anwendungen ist die wellenlängenabhängige Transparenz ein entscheidender Vorteil der organischen Photovoltaik. Forscherinnen und Forschern der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist es nun gelungen, organische PV-Module mit einer Größe von 14,5 mal 14,5 cm und einer Transparenz von durchschnittlich 43,2 Prozent zu realisieren, die dennoch einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 Prozent erreichen. Sie nutzten dafür eine Kombination aus Sputter- und Slot-Die-Beschichtung – zwei industriell erprobte und auf große Modulflächen hochskalierbare Verfahren.
Industrielle Verfahren für große Modulflächen
„Die Hochskalierung auf große Flächen ist eine der großen Herausforderungen bei der organischen Photovoltaik“, erläutert Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Gute Laborergebnisse mit kleinen, manuell gefertigten Solarzellen können oft nicht in die industrielle Fertigung übertragen werden, da ihr Herstellungsverfahren auf größeren Flächen nicht funktioniert. „Dass wir nun zum ersten Mal erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen per industriell umsetzbarem Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch.“ Die Rückelektroden der Solarzellen werden im vorherigen Prozessschritt im Sputterverfahren aufgebracht, das ebenfalls ein etablierter Fertigungsweg ist.
Transparenz und Wirkungsgrad im Ausgleich
Bei der Entwicklung semi-transparenter organischer Photovoltaik muss stets ein Kompromiss zwischen Lichtdurchlässigkeit und dem damit unvermeidlich verbundenen Effizienzverlust, ausgedrückt in der Lichtnutzungseffizienz (LUE), gefunden werden. Das Forschungsteam konnte bei den 210,25 cm2 großen, semi-transparenten organischen Photovoltaikmodulen bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 43,2 Prozent einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 Prozent erzielen. Dies entspricht einer LUE von bis zu 4,0 Prozent. „Jetzt, wo wir den Fertigungsprozess unter Kontrolle haben, sind wir optimistisch, dass wir die Transparenz noch deutlich steigern können, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen“, ergänzt Uli Würfel.
Einsatz in Fassaden, Gewächshäusern und Fahrzeugen
Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit von deutlich über 50 Prozent könnten anstelle von Fensterglas in Gebäudefassaden oder Gewächshäusern zum Einsatz kommen. In Kontexten, in denen getönte Gläser erwünscht sind, beispielsweise in Autodächern und Fassadenelementen, kann eine geringere Transparenz sogar von Vorteil sein. In den Modulen wurden jeweils mehr als 100 Solarzellen mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltet. Die Solarzellen bestehen aus einer im nahen Infrarot reflektierenden Rückelektrode, die per Sputtern auf ein Glas-Substrat aufgebracht wurde, einer Absorberschicht aus organischen Halbleitern sowie einer metallfreien Top-Elektrode aus dem Polymer PEDOT:PSS. Letztere wurde in mehreren Schichten per Slot-Die aufgetragen. Für diese Top-Elektrode entwickelte die Firma Heraeus Epurio eine neue PEDOT:PSS-Formulierung, die dazu beitrug, dass die PV-Module eine höhere Transparenz erzielten.
Flexible Module für die Herstellung auf Folie
Die Slot-Die-Beschichtung ist mit dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel und somit auch zur Herstellung von Solarmodulen auf Folie geeignet. „Im Projekt haben wir bereits erste flexible, organische PV-Module hergestellt, die nach 1.275 Biegezyklen über einen Stab mit 15 mm Durchmesser 100 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz beibehielten”, erzählt Dr. Mathias List, wissenschaftlicher Mitarbeiter für organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Das Unternehmen ROWO Coating stellte die Folien dafür her. „Der nächste Schritt ist, auch hier größere Modulflächen zu realisieren.“ Die Forschungsergebnisse sind Teil des Projekts „Durchblick-PV – Entwicklung von organischen Solarmodulen mit hoher visueller Transparenz“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi, heute BMWK) unterstützt wurde. Projektpartner waren Heraeus Epurio, ROWO Coating, ASCA und die Universität Freiburg.
