Fortgeschrittene organische Solarzellen
Die erste Generation von Solaranlagen, die Sonnenenergie in Elektrizität umwandelten, basierte auf kristallinem Silizium. Die zweite Generation stützt sich auf Dünnschichttechnik. Dünnschicht-Solarzellen (TFSC) werden durch Auftragen eines Dünnfilms aus einem hochempfindlichen anorganischen Halbleitermaterial, wie beispielsweise Cadmiumtellurid (CdTe), amorphes Silizium (a-Si) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIS/CIGS), auf einem Substrat hergestellt. Allerdings beschränken die hohen Material- und Herstellungskosten dieser beiden Halbleiterverfahren eine weit verbreitete Anwendung. Die dritte Generation, die sich noch in der Laborphase befindet, verwendet für die TFSC-Technologie neuartige Werkstoffe, Gerätekonzepte und Herstellungsverfahren, um die Kosten weiter zu senken und eine noch bessere Wirkung zu erzielen. (Organische) Solarzellen auf der Basis von Polymeren und Hybridsysteme (organische Polymere – anorganische Nanopartikel) versprechen geringere Kosten, da sie sich für moderne Fertigungsverfahren, wie beispielsweise die Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung (R2R), eignen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts LARGECELLS (Large-area organic and hybrid solar cells) entwickelte ein europäisches Konsortium eine Reihe konjugierter Polymere, die als Donor- und Akzeptorsysteme in Solarzellen der dritten Generation eingesetzt wurden. Eine Optimierung im Labormaßstab konnte den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (power conversion efficiency, PCE) einer einzelnen Donor-/ Akzeptor-Verbindungsvorrichtung auf 7,4 % verdoppeln, wobei mit einer druckfähigen R2R-Vorrichtung ein PCE von 4 % erreicht werden konnte. Tandem- und Triple-Junction-Solarzellen aus konjugierten Polymeren und Fullerenen (Nanokohlenstoff) wiesen PCE von 8,9 % bzw. 9,6 % auf. Darüber hinaus ersetzten die Wissenschaftler das teure Indiumzinnoxid durch transparente Metallgitter oder Graphitnetze, ohne dabei nachteilige Auswirkungen auf die Übertragung oder die Leitfähigkeit zu erzielen. Bei Versuchen im Maßstab der R2R-Verfahren untersuchte das Team eine Reihe potenzieller Techniken, darunter Sieb- und Tintenstrahldruck. Nicht nur die Integrität und Funktion der aktiven Schicht wurde sorgfältig berücksichtigt, sondern auch die rückseitige Silberelektrode, die eine kritische Rolle im Hinblick auf die Leistung spielt. Organische Solarzellen sind empfindlich gegenüber Sauerstoff und Wasser, so dass man verschiedene Laminierungstechniken untersuchte, um die Haltbarkeit zu erhöhen. Es wurden Anordnungen für Stabilitätstests eingerichtet, um sowohl die normalen Betriebsbedingungen (im Außenbereich) als auch die beschleunigte Alterung im Innenraum beurteilen zu können. Ein großer Aufwand konzentrierte sich auf die Verbreitung dieser bahnbrechenden Technologie über öffentliche Medien und wissenschaftliche Kanäle. Mit neuartigen Werkstoffen für organische und hybride TFSC, die auch für R2R-Verfahren skalierbar sind, sollte das Projekt LARGECELLS bei geringeren Kosten zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad der Solarzelltechnik führen. Somit kann saubere Solarenergie zu einer wirklich tragfähigen Alternative zur aktuellen Stromerzeugung auf der Basis fossiler Brennstoffe werden.
Schlüsselbegriffe
Organische Solarzellen, Photovoltaik, Dünnschichtsolarzellen, Hybridsolarzellen, R2R-Technologie
