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OPVIUS ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften bieten organische Solarzellen eine Reihe potenzieller Anwendungen, einschließlich der Integration in Fenster, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Fotos mit freundlicher Genehmigung von MaterialDistrict

Wenn Sie sich Solarenergie vorstellen, zaubern Sie wahrscheinlich Bilder von großen Sonnenkollektoren, die sich über die Länge eines Dachs oder einer großen Fläche erstrecken Solarpark draußen auf einem Feld. Aber was wäre, wenn Sie ein Solarpanel im Schiebedach eines Hybridautos, auf einem Zelt oder in den Fenstern eines Bürogebäudes platzieren könnten? Was wäre, wenn Sie einen Impfstoffkühlschrank an einem abgelegenen Ort mit einem flexiblen Solarpanel betreiben könnten, das in einem Versandrohr verschickt werden könnte? Dies sind nur einige mögliche Anwendungen einer relativ neuen Technologie, die als organische Solarzellen (OSCs) bekannt ist – neu zumindest im Vergleich zur Silizium-Solartechnologie, die es seit den 1950er Jahren gibt.

OSCs wandeln wie die traditionelle Silizium-Solartechnologie die Energie der Sonne in nutzbaren Strom um. Aber sie sind weitaus vielseitiger als herkömmliche Photovoltaik. OSCs sind leicht und flexibel und können halbtransparent oder in verschiedenen Farben hergestellt werden. Diese Eigenschaften geben ihnen potenzielle Anwendungen für textile, fahrzeug- und gebäudeintegrierte Solarzellen sowie für die Stromerzeugung in Gebieten, in denen es sie nicht gibt.

Einzigartige Anwendungen

Obwohl zusätzliche Finanzierung und Forschung erforderlich sind, um OSCs auf den kommerziellen Markt zu bringen, sind sich Experten einig, dass sie eine wichtige Rolle in der Zukunft der Solartechnologie spielen werden. Das heißt, sie werden Siliziumsolarzellen weder ersetzen noch direkt mit ihnen konkurrieren. „Wir sollten keine großen OSC-Felder erwarten, wie sie beispielsweise in Silizium-Solarparks Gigawatt Strom erzeugen“, sagt Seth Marder, Chemieprofessor am Georgia Tech. Siliziumsolar eignet sich für die Bereitstellung von Solarstrom in großem Maßstab, während OSCs andere einzigartige Stärken haben, die ihre realen Anwendungen leiten. 

Zwei einzigartige Merkmale von OSCs sind ihre Dünnheit und Flexibilität. Während eine typische Silizium-Solarzelle etwa so dick ist wie die durchschnittliche Breite eines menschlichen Haares, sind die meisten OSCs etwa tausendmal dünner. Aufgrund ihrer Dünnheit und Flexibilität können OSCs auf gekrümmten Oberflächen und flexiblen Trägern hergestellt werden. Sie können beispielsweise geflickt oder in den Stoff von Zelten, Rucksäcken und sogar Kleidung integriert werden. Die meisten dieser Produkte befinden sich noch in der Entwicklung und besetzen einen Nischenmarkt, aber sie demonstrieren die innovative Kreativität, die OSCs bieten. Mit der OSC-Technologie wurden die Einsatzmöglichkeiten von Solarzellen weit über Dächer und Solarparks hinaus erweitert.


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OSCs können auch transparent, halbtransparent oder in verschiedenen Farben ausgeführt werden. Als Ergebnis gibt es viele potenzielle Anwendungen für den architektonischen Gebrauch. Beispielsweise könnten transparente OSCs in Fenster integriert werden, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen, das ansonsten einen Raum erwärmen und zu höheren Klimatisierungskosten beitragen könnte. Franky So, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der North Carolina State University, bietet noch eine weitere Anwendung: OSCs könnten in Schiebedächern verwendet werden, um Elektro- und Hybridfahrzeuge anzutreiben.

Darüber hinaus machen geringe Vorabinvestitionen und potenziell niedrige Produktversandkosten die OSC-Technologie für Gemeinden in Entwicklungsländern zugänglich, die keinen Zugang zu einem Stromnetz und die finanziellen Mittel haben, um eines zu bauen. OSCs haben die einzigartige Fähigkeit, „Macht dorthin zu bringen, wo es keine Macht gibt“, erklärt Malika Jeffries-EL, außerordentliche Professorin für Chemie an der Boston University. In diesen Fällen könnte die OSC-Technologie die notwendige Elektrizität in den kleineren Mengen liefern, die für Aufgaben wie Beleuchtung, Aufladen von Mobiltelefonen und Kühlen von Medikamenten und Impfstoffen benötigt werden.

Ein weiteres Verkaufsargument von OSCs ist, dass ihre Herstellung weniger energieintensiv ist als Siliziumsolarzellen. Um hochreines Silizium für Siliziumsolarzellen zu erzeugen, werden extrem heiße Öfen – ab 1,500 °C (2,700 °F) – benötigt. Im Vergleich dazu können großformatige OSCs hergestellt werden, indem einfach die Schichten der Zelle auf einen Träger gedruckt werden, ähnlich wie beim Druck von Zeitungen. Da dieser Prozess weniger Energie verbraucht, haben OSCs eine deutlich kürzere Energierücklaufzeit als Siliziumzellen. Mit anderen Worten, OSCs benötigen eine kürzere Zeit, um die Energiemenge zu erzeugen, die für ihre Herstellung erforderlich war.

Wie es funktioniert

Die erste organische Solarzelle wurde 1958 entwickelt, aber erst in den 2000er Jahren konnten OSCs eine deutliche Effizienzsteigerung erzielen. Diese verbesserte OSC-Technologie ist aus dem Bereich der organischen Leuchtdioden, allgemein bekannt als OLEDs, hervorgegangen. Die OLED-Technologie wird heute für viele Fernseh- und Telefonbildschirme auf dem Markt verwendet. In einem OLED-Bildschirm emittiert eine Schicht organischer Moleküle (Moleküle, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen) Licht, wenn elektrischer Strom angelegt wird. OSCs funktionieren im Wesentlichen umgekehrt – die Schicht organischer Moleküle erzeugt einen elektrischen Strom, wenn sie Licht ausgesetzt wird.

Eine organische Solarzelle besteht aus mehreren Materialschichten, von denen eine die Akzeptorschicht ist. Wenn Sonnenlicht auf die Zelle trifft, wird ein Elektron aus der Schicht organischer Moleküle freigesetzt, und die Aufgabe des Akzeptors besteht darin, dieses Elektron an die Elektrode weiterzugeben. Dieser Prozess verursacht einen Ladungsaufbau, der Strom erzeugt.

Effizienzdiagramm von OSCs von 2000 bis 2020Mit der Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren stieg die Effizienz von OSCs stark an. Grafik mit freundlicher Genehmigung von Dr. Felipe Larrain

Traditionell waren die am häufigsten verwendeten Akzeptoren in OSCs Materialien auf Basis von Fulleren – einem Molekül, das aus 60 Kohlenstoffatomen besteht, die in einer fußballähnlichen Struktur miteinander verbunden sind. Mit Fullerenakzeptoren war die Effizienz von OSCs jedoch auf etwa 10 % begrenzt. Mit anderen Worten, nur 10 % des auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenlichts wurden in Strom umgewandelt. Die Forscher machten sich daher daran, neue Arten von Akzeptorschichten zu erforschen, um die OSC-Effizienz zu erhöhen.

Der Durchbruch, der es OSCs ermöglichte, höhere Effizienzen zu erreichen, war die Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs). Mit NFAs stieg die Effizienz von OSCs stark an — bis 18% in nur wenigen Jahren. Dies hat OSCs an das untere Ende der 18 % bis 22 % Wirkungsgrad der durchschnittlichen handelsüblichen Siliziumsolarzelle. Diese Steigerung der Effizienz hat die Erwartungen vieler Experten übertroffen, von denen einige mit ihrer Arbeit im Feld begannen, als die Effizienz von OSCs nur noch um 3 % schwankte. „Wenn Sie mir vor 10 Jahren gesagt hätten, dass wir organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 18 % haben, hätte ich gelacht“, sagt Marder.  

Hindernisse für die Überwindung

Es ist noch viel zu tun, bevor OSCs auf breiter Basis vermarktet werden können. Eine der größten Herausforderungen sind die im Herstellungsprozess verwendeten Lösungsmittel. Die meisten der leistungsstärksten OSCs werden mit chlorierten Lösungsmitteln hergestellt, die sowohl Gesundheits- als auch Umweltgefahren darstellen. „Beim Ausbau der OSC-Fertigung muss man die Exposition der Menschen berücksichtigen, die in den Produktionsstätten arbeiten werden“, sagt Bernard Kippelen, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Georgia Tech. Die bisherige Forschung konzentrierte sich hauptsächlich darauf, immer höhere Effizienzen zu erzielen, aber wie Kippelen sagt, „brauchen wir einen Ansatz, der weit über eine Zahl hinausgeht“. Um OSCs zu einer tragfähigen Technologie zu machen, muss der Herstellungsprozess optimiert werden, um ihn sicherer und kostengünstiger zu machen.

Ein weiteres Hindernis für die Massenproduktion von OSCs ist der Unterschied zwischen den Effizienzen einzelner Zellen, die unter idealen Laborbedingungen getestet wurden, und den Effizienzen, die für größere Module nachgewiesen wurden. Einzelne Zellen können einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, aber der Zusammenbau mehrerer Zellen zu Modulen, Platten oder Arrays erfordert zusätzliche elektrische Verbindungen, die den Wirkungsgrad verringern. Wie Kippelen betont, sind jedoch solche Unterschiede zu erwarten. „Es dauert einige Zeit, bis sich die Steigerungen der Zelleffizienz in den Wirkungsgraden der Module niederschlagen, die die Fertigungsstraßen verlassen“, sagt er. „Das gleiche galt für Silizium-Solarzellen.“

Die Finanzierung der OSC-Forschung ist ein weiteres Anliegen. In den Vereinigten Staaten kommt ein Großteil der Finanzierung für die Solarzellenforschung von Regierungsbehörden wie dem Energieministerium. Laut Kippelen sind jedoch „viele Finanzierungsquellen versiegt, um OSC-Forschung zu betreiben“, aufgrund des Aufkommens einer schnell wachsenden Klasse von Solarzellen namens Perowskite. „Der Einsatz von Perowskiten hat viel Aufsehen erregt, weil ihre Effizienz teilweise sogar höher ist als die von Silizium“, sagt Kippelen. Doch auch wenn die Mittel für OSCs in den USA zurückgegangen sind, führt China weiterhin die OSC-Forschung und -Entwicklung an. „Der Arbeitsaufwand [zur OSC-Forschung] in den Vereinigten Staaten ist ein winziger Bruchteil des Arbeitsaufwands in China“, sagt Marder. "Die Menschen in China gehen dabei auf Hochtouren." 

Gründe für Optimismus

Der künftige Weltenergieverbrauch wird weiter steigen, insbesondere da die Entwicklungsländer die gleichen Vorteile der On-Demand-Energieerzeugung anstreben wie die Industrieländer. Forscher wie Marder, Kippelen, Jeffries-EL und So sagen, dass die OSC-Technologie das Potenzial hat, eine einzigartige und wichtige Rolle beim globalen Übergang zu erneuerbaren Energien zu spielen. Die jüngste Steigerung der OSC-Effizienz auf 18% veranlasst viele Forscher, diese Technologie voranzutreiben, und Wissenschaftler untersuchen nun Tandem-OSCs (die zwei verschiedene Materialien verwenden, die unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren), um noch mehr Energie einzufangen. Einige hoffen, dass diese Entwicklung die OSC-Effizienz noch weiter steigern könnte – bis zu 20 %.

Kippelen fordert eine langfristige Sichtweise der OSC-Technologie. „Solartechnologie wird es noch lange geben“, sagt er, „und ich glaube fest daran, dass sich OSC mit der Zeit als wirklich wichtige Technologie etablieren wird.“

Über den Autor

 Kellie Stellmach ist eine Doktorandin, die ihren Ph.D. in Chemie an der Georgia Tech. Ihre Leidenschaft ist es, neue organische Materialien zu entwickeln, um Umwelt- und Nachhaltigkeitsherausforderungen anzugehen. Ihre aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Synthese von Polymeren mit niedriger Deckentemperatur mit möglichen Anwendungen als recycelbare Materialien.

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Dieser Artikel erschien ursprünglich auf ENSIA

 

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