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Biegsam, bunt und billig

Mit organischen Solarzellen lässt sich Strom aus Sonnenlicht auch da gewinnen, wo herkömmliche Solarzellen aus Silizium versagen. Sie sind nicht nur dünn, leicht und flexibel einzusetzen, sondern auch einfach und preiswert herzustellen.

Bergsteiger könnten unterwegs ihre Höhenmesser mit Solarstrom laden. Gepäckstücke könnten sich selbst sortieren, Handys und Laptops über ihr Gehäuse Strom beziehen – mit organischen Solarzellen ist man flexibel. Die Elektronen – und damit die aus dem Sonnenlicht gewonnene elektrische Energie – werden bei diesen Zellen nicht wie bei den herkömmlichen Solarzellen aus Silizium von einem anorganischen Feststoff geliefert und transportiert, sondern von organischen Substanzen: Kohlenwasserstoffen, die in Glas, Folie, einen Produktaufkleber oder Textilien verpackt sind. Zahlreiche Forschungsinstitute und Unternehmen arbeiten derzeit mit Hochdruck daran, sie zur Marktreife zu bringen.

In einer Studie für das Bundesforschungsministerium (BMBF) haben Fachleute des Bereichs Zukünftige Technologien Consulting des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) in Düsseldorf den aktuellen Forschungs- und Entwicklungsstand analysiert und zusammengefasst.

Michael Grätzel, Professor an der Schweizer Hochschule für Polytechnik (EPFL) in Lausanne, erfand bereits 1991 die nach ihm benannte Grätzelzelle, die aus Titandioxid und einem organischen Farbstoff besteht. Für den Stromfluss in einer Grätzelzelle sorgt eine elektrochemische Reaktion. Zwei mit leitenden Schichten versehene Glasplatten dienen dabei als Elektroden. Die Farbstoff-Moleküle absorbieren das Licht, wodurch einige ihrer Elektronen in einen energiereicheren Zustand angeregt und auf das Titandioxid übertragen werden. Diesen Elektronenverlust im Farbstoff gleicht ein Elektrolyt wieder aus: Ein Strom fließt durch die Zelle.

Probleme bereitet den Forschern allerdings noch der Farbstoff selbst. Denn die chemisch reaktive Flüssigkeit kann verdunsten oder austrocknen und bei unzureichender Versiegelung auch aus der Zelle austreten. „Daher wird immer häufiger mit einer Gel-Pasten-Mischung gearbeitet“, sagt Heinz Ossenbrink, der den Bereich Erneuerbare Energien an der gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission im italienischen Ispra leitet.

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Alternativ kann man natürlich auch die Versiegelungstechniken verbessern, um den Elektrolyten am Austritt zu hindern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg hat zu diesem Zweck eine neue Glaslottechnik entwickelt. Bei dieser Fertigungstechnik werden alle Materialien für die Herstellung der Zelle als Paste auf zwei Glasplatten aufgebracht. Die beiden Platten sind so geformt und miteinander verbunden, dass sich kleine Kanäle bilden. In diese Kanäle werden Farbstoff und Elektrolyt gefüllt. Danach wird das Glas bei niedriger Temperatur geschmolzen – fertig ist die Versiegelung. Bei einem Alterungstest im Labor wiesen die so hergestellten Farbstoff-Solarzellen eine Langzeitstabilität von mehreren Tausend Stunden auf.

Im Gegensatz zu Farbstoff-Solarzellen kommen „reine“ organische Solarzellen zwar ohne einen Elektrolyten aus, Stabilität und Verkapselung sind aber bei ihnen ein Problem: „ Organische Solarzellen können zerfallen, wenn sie mit Wasser aus der Umgebung oder Sauerstoff aus der Luft in Kontakt kommen“, erklärt Andreas Gombert vom Fraunhofer ISE. Die organischen Feststoffe bestehen bei einer solchen Zelle entweder aus einzelnen, übereinander liegenden Schichten oder aus einer homogenen Mischung verschiedener Materialien. Der Werkstoff, der die Elektronen bereitstellt, der „Elektronen-Donator“, ist in diesem System ein organischer Farbstoff oder ein halbleitendes Polymer, das in einem energetisch angeregten Zustand Elektronen abgibt. Als „Elektronen-Akzeptor“, also als Aufnehmer für die freigesetzten Elektronen, dient meist ein Fulleren – ein kugelförmiges Molekül aus Kohlenstoff-Atomen. Trifft Sonnenlicht auf die Zelle, kommt der Elektronentransport in Gang. Durch die Bewegung der Elektronen zwischen Donator und Akzeptor fließt ein Strom: der Photostrom.

Während man bei Farbstoff-Solarzellen unter Laborbedingungen auf relativ kleinen Flächen bereits solare Wirkungsgrade von acht Prozent erzielt hat – das heißt, acht Prozent der Energie des Sonnenlichts werden in elektrische Energie verwandelt –, ist der Wirkungsgrad der besten reinen organischen Solarzellen bislang nur etwa halb so groß. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen erreicht man einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent. Die Entwicklung der organischen Solarzellen war bisher stark an die Entwicklung von halbleitenden Polymeren für Leuchtdioden gekoppelt. Die funktionieren im Prinzip umgekehrt wie eine Solarzelle: Eine Leuchtdiode leuchtet bei Stromzufuhr, eine Solarzelle erzeugt elektrischen Strom, wenn Licht auf sie fällt. Dabei laufen zwar ähnliche Prozesse ab, doch die Materialien und Technologien eignen sich nicht gleich gut für beide Anwendungen. „Die Bandlücke – eine elektronische Materialeigenschaft – der organischen Verbindungen ist nicht optimal“, erklärt Andreas Gombert. „Licht mit geringer Energie wird daher nicht absorbiert.“ Ein großer Teil des Sonnenlichts wird von den Polymeren einfach „ignoriert“ und bleibt ungenutzt.

Weitere Grundlagenforschung ist nötig, um dieses Problem zu lösen. Neue Polymere, passende Beschichtungslösungen und bessere Elektroden müssen entwickelt werden, um den Anteil des absorbierten Sonnenlichts – und somit den Wirkungsgrad – zu erhöhen. Kurzfristig rechnen die Experten bei organischen Laborzellen daher nur mit einer Verbesserung des Wirkungsgrads auf fünf bis sechs Prozent. Ein weiteres Problem sieht Heinz Ossenbrink im Ladungsträgertransport: Die Elektronen können sich nur relativ langsam durch die photoaktive Schicht einer organischen Solarzelle bewegen. Doch er sieht eine mögliche Lösung: „An unserem Institut versuchen wir, die Leitfähigkeit organischer Werkstoffe durch den Zusatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu steigern.“ Diese Allzweckwaffe der Nanotechnologie könnte demnach auch bei der Optimierung von Solarzellen helfen.

Trotz der Schwierigkeiten ist Ossenbrink davon überzeugt, dass organische Solarzellen eine große Zukunft vor sich haben, denn sie ermöglichen eine extrem kostengünstige Produktion. „Für ihre Herstellung braucht man weder Vakuum noch hohe Temperaturen. Organische Solarzellen kann man wie Zeitschriften im Offsetdruck herstellen“, erklärt der Forschungsleiter. „Dabei reden wir von Quadratkilometern pro Nacht. Im Prinzip lassen sich organische Solarzellen in der Küche backen“, fügt er schmunzelnd hinzu.

Für die Massenproduktion eignen sich aus der Beschichtungstechnik bekannte Verfahren: beispielsweise das so genannte Spincoating und das Siebdruckverfahren. Während man beim Spincoating die einzelnen Schichten der Zelle aus einer wässrigen Lösung auf das Trägermaterial aufschleudert, werden die Zellen beim Siebdruck durch ein Sieb auf das Glas gepresst.

Das Trägermaterial muss dabei allerdings nicht unbedingt Glas sein. Von einer Folie umhüllt, können organische Solarzellen Strom im Gehäuse eines Notebooks, einer Digitalkamera oder eines Handys produzieren. Als Teil eines elektronischen Produktaufklebers ermöglichen sie die Kontrolle des Warenflusses von Paletten und Gepäckstücken. Die US-amerikanische Firma Konarka treibt die Integration von organischen Solarzellen in Textilien voran. „Kleine Sensoren in der Kleidung könnten zum Beispiel Temperatur und Feuchtigkeit messen“, erklärt Andreas Gombert – den Strom dafür würden dünne, biegsame Solarzellen liefern. Bergsteiger wären in der Lage, ihren Höhenmesser jederzeit und überall mit Solarstrom zu laden.

Unter den verschiedenen Typen von organischen Solarzellen sind die Farbstoff-Solarzellen am besten erforscht. Kurz- bis mittelfristig erwarten die Experten des VDI Zukünftige Technologien Consulting in ihrer Studie bei diesem Typ kommerzielle Module mit einer Größe von über 0,1 Quadratmetern und einem Wirkungsgrad von vier bis fünf Prozent. Einige Unternehmen bauen bereits Pilotproduktionslinien auf. Mit einem Markteintritt rechnet man beim VDI ab 2008. Bereits in der ersten Produktionsphase sollten die Modulkosten unter 2,50 Euro pro Watt liegen – deutlich niedriger als bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen.

Bei den reinen organischen Solarzellen soll es laut der VDI-Studie etwa ab 2009 erste Produkte geben – jedoch mit noch geringeren Wirkungsgraden, einer Lebensdauer von nur zwei Jahren und deutlich höheren Modulkosten als bei Farbstoff-Solarzellen. Erst zwischen 2010 bis 2015 rechnen die Experten damit, dass Produkte auf der Basis von reinen organischen Solarzellen konkurrenzfähig werden. Noch länger wird es dauern – wenn es überhaupt dazu kommt –, bis sich Polymer-Solarzellen auch für die Energieversorgung von Gebäuden nutzen lassen. Die Voraussetzung dafür wäre eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren bei Modulkosten von maximal 50 Cent pro Watt. Das, glauben die Forscher, wird sich frühestens in 10 bis 15 Jahren erreichen lassen.

Heinz Ossenbrink hält einen Wirkungsgrad von 20 Prozent – vergleichbar mit dem der heutigen Silizium-Zellen – für denkbar. Doch auch mit einer deutlich niedrigeren Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom und einer kürzeren Lebensdauer könnten sich organische Solarzellen – dank ihrer hohen Flexibilität und einfachen Herstellung – in diversen Nischenanwendungen gegen ihre Konkurrenz aus kristallinem Silizium durchsetzen. ■

Iris Krampitz ist Chemikerin und arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin in Köln. Für bdw schrieb sie im Mai 2005 den Techno-Status Photovoltaik.

Iris Krampitz

COMMUNITY Internet

Die aktuelle Ausgabe des Newsletters „future technologies update“ sowie alle bisherigen Ausgaben kann man auf der Homepage der VDI-Abteilung Zukünftige Technologien Consulting kostenlos als pdf-Datei herunterladen oder in gedruckter Form bestellen: www.zt-consulting.de/ftu

Ohne Titel

Im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung befasst sich eine Expertengruppe des VDI Technologiezentrums ständig mit der Früherkennung erfolgversprechender technologischer Trends. Das Team der Abteilung Zukünftige Technologien Consulting identifiziert neue Ansätze und bewertet ihre Innovationspotenziale. Zweimal jährlich werden die Resultate der Studien in einem Newsletter vorgestellt. bild der wissenschaft wird ab sofort zeitgleich mit dem Erscheinen des „ future technologies update“ exklusiv über eine der darin präsentierten Zukunftstechnologien berichten. Mitte Oktober kam die zweite Ausgabe des Newsletters heraus. Darin geht es unter anderem um organische Solarzellen.

Ohne Titel

Bei der Entwicklung von Farbstoff-Solarzellen waren deutsche Forschungsgruppen von Anfang an mit dabei. Neben Japan, USA, China und der Schweiz ist Deutschland in der Erforschung und Entwicklung von Farbstoff-Solarzellen weltweit führend. Bei den organischen Solarzellen steht Deutschland neben Japan, den USA, Österreich, China und den Niederlanden ebenfalls an der Spitze. Dabei sind die bedeutsamen Erfolge deutscher Forscherteams auf den Gebieten der organischen Leuchtdioden und der Polymerelektronik von Vorteil, deren Erkenntnisse sich teilweise auch für Solarzellen nutzen lassen.

Um eine wettbewerbsfähige Alternative zu den herkömmlichen Solarzellen aus Silizium realisieren zu können, müssen die Farbstoff-Solarzellen – genau wie die reinen organischen Solarzellen – noch deutlich verbessert werden, was Stabilität, Wirkungsgrad und Leitfähigkeit betrifft. Und es müssen Produkte gefunden werden, bei denen die besonderen Vorteile der Zellen zum Zuge kommen. In einem neuen, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „ColorSol – Nachhaltige Produktinnovationen durch Farbstoff-Solarzellen“ untersuchen Wissenschaftler verschiedener Institute daher Anwendungsmöglichkeiten von Farbstoff-Solarzellen, beispielsweise als Fassadenelemente, für netzunabhängige Energieversorgungssysteme, als elektrochemische Sensoren oder in Displays. Forscher am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) entwickeln derzeit den Prototyp einer halbautomatischen Produktionslinie für solche Geräte. Zu den Forschungsprojekten des BMBF zählt außerdem die „Entwicklung von Systemkomponenten für langzeitstabile Farbstoff-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad“. Das Projekt endet im März 2007. Ein Verbundprojekt zur Entwicklung funktioneller Materialien für die organische Photovoltaik ist im September ausgelaufen. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert noch bis November 2007 ein Projekt zur „Herstellung organischer Solarzellen durch Organic Vapour Phase Depositition“ .

Ohne Titel

• Organische Solarzellen trumpfen vor allem in Nischenanwendungen.

• Noch problematisch: der schlechte Wirkungsgrad und sensible Materialien.

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