Aus dem Themenbereich Forschung

Organische Photovoltaik

Die Solarenergie macht sich die ergiebigste Quelle erneuerbarer Energien zunutze: die Sonne. Sonnenlicht wird dabei mittels Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Eine organische Solarzelle besteht aus Kunststoffen. Dadurch ergeben sich neue Produktionsverfahren und Installationstechnologien, so dass Solarenergie kostengünstiger werden kann.

Organische Photovoltaik unterscheidet sich durch ihre Flexibilität und ihre Semitransparenz von klassischen Modulen wie man sie vielerorts auf den Dächern findet. In Zukunft kann sie z.B. wie farbige Folien in Gebäudefassaden integriert werden oder einem Sonnenschirm erlauben gleichzeitig einen Laptop zu versorgen.

Trotz der bereits erreichten Effizienzen von >8% sind die Einsatzgebiete der organischen Photovoltaik (OPV) aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer noch auf Nischenmärkte beschränkt. Die Verlängerung der Lebensdauer stellt daher eine der größten Herausforderungen dar. Obwohl beeindruckende Fortschritte auf dem Weg zu stabilen organischen Solarzellen gemacht wurden, ist die gegenwärtige Situation insgesamt noch nicht befriedigend.

Das BMBF fördert im Programmschwerpunkt "Grundlagenforschung Energie 2020+" Projekte, die dazu beitragen, die Bedeutung dieses Technologiesektors zu stärken, der angesichts mobiler Elektronik, knapper Energieressourcen und der Klimaproblematik fossiler Energieträger in der nächsten Dekade verstärkt an Bedeutung gewinnen wird.

Eine Strategie zur Erhöhung der inneren Stabilität organischer und organisch/ anorganischer Solarzellen entwickelt das Verbundvorhaben "Langlebige funktionelle Materialien für die organische Photovoltaik" (OPV-Stabilität).

Aufrollbares LadegerätOrganische Solarmodule haben im Wesentlichen vier Feinde: UV-Licht, Hitze, Sauerstoff und Wasser. Während sich UV-Licht und Hitze nur teilweise eliminieren lassen, können die Module durch Verkapselung weitgehend vor Sauerstoff und Wasser geschützt werden. Bei Verkapselung mit Glas erreichen organische Solarmodule heute schon Lebensdauern von ca. 15 Jahren. In flexiblen Modulen lassen sich, je nach den Barriereeigenschaften der Verpackung, immerhin noch Lebensdauern von bis zu 5 Jahren erzielen. Leider steigen die Produktionskosten mit zunehmender Qualität der Verpackungsmaterialien stark an. Damit schmilzt der durch das billigere Herstellungsverfahren erreichte Kostenvorteil gegenüber kristallinen Si-Solarzellen dahin. Ein Konsortium von fünf akademischen Partnern und der Firma Konarka, dem Weltmarktführer in organischer Photovoltaik, hat es sich zur Aufgabe gemacht, die innere Stabilität der verwendeten Materialien zu erhöhen, um längere Lebensdauern mit billigeren Verpackungsmaterialien erreichen zu können.

Dazu muss zunächst festgestellt werden, welche Komponente der Solarzelle zum Versagen des Moduls führt. Dies hängt einerseits von der Architektur der Solarzelle ab, weil diese die Art des Elektrodenmaterials festlegt. Darüber hinaus spielen aber sowohl die Durchlässigkeit des Verpackungsmaterials für Wasser und Sauerstoff als auch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine große Rolle. In Solarzellen des invertierten Typs, stellen die organischen Schichten die Achillesferse der Zelle dar. Die photoaktive Schicht, eine Mischung aus einem elektrisch leitfähigen Polymer und einem Fulleren, ist besonders empfindlich gegenüber Sauerstoff, während die Ladungsextraktionsschichten v.a. unter hoher Luftfeuchtigkeit leiden. Semitransparente organische SolarzelleDer von den Projektpartnern gewählte Ansatz besteht darin, eine Landkarte dieser komplexen Situation zu erstellen: welche Komponente zerfällt unter welchen Bedingungen nach welchem Mechanismus? Die auf der Basis elektrischer und spektroskopischer Methoden gewonnenen Erkenntnisse werden verwendet, um die Stabilität der organischen Komponenten der Solarzelle gezielt zu verbessern. Neben klassischen Methoden der Polymerphysik wird hierzu auch das quantenchemische Design von Polymeren eingesetzt. Auf diese Weise konnte die Lebensdauer polymerbasierter organischer Solarzellen bereits um den Faktor drei verlängert werden, eine weitere Verlängerung wird angestrebt.

Das beschriebene Projekt beseitigt die "weißen Flecken" im gegenwärtigen Verständnis der Zerfallsmechanismen, um organische Solarzellen herstellen zu können, deren Lebensdauer auch ohne aufwändige Verkapselung allen Anforderungen eines wachsenden, aber von hartem Kostendruck geprägten Marktes gerecht wird.

Organische SolarzelleDie neue Fördermaßnahme "Organische Elektronik, insbesondere organische Leuchtdioden und organische Photovoltaik" soll nun die Entwicklung organischer Solarzellen so weit unterstützen, dass die Anwendungsbereiche der anorganischen Systeme durch interessante Anwendungen ergänzt und erweitert werden können. Durch die Unterstützung weiterer FuE-Maßnahmen soll der Brückenschlag zwischen Wissenschaft und Wirtschaft auf dem jungen Gebiet der organischen Photovoltaik erreicht werden.

Zuwendungsempfänger:

• Konarka Technologies GmbH,
• Eberhard Karls Universität Tübingen,
• Bergische Universität Wuppertal,
• Universität Würzburg,
• Ludwig-Maximilians-Universität München,
• Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Projektleitung:

• Doktor Hans-Joachim Egelhaaf

Weitere Infos unter: http://www.fobe.uni-wuppertal.de/?id=5488