Organische Solarmodule: Durchbruch bei semitransparenter PV
Organische Solarmodule punkten mit Flexibilität, Transparenz und einer guten Ökobilanz. Für einige Anwendungen ist die wellenlängenabhängige Transparenz eine besonders bedeutsame Stärke der organischen Photovoltaik. Nun gelang es Forschenden der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, 14,5 × 14,5 cm große organische PV-Module mit einer Transparenz von durchschnittlich 43,2 % und dennoch einem Wirkungsgrad von bis zu 9,26 % zu realisieren. Sie nutzten dafür eine Kombination aus Sputter- und Slot-Die- (Schlitzdüsen-)Beschichtung – beides Verfahren, die industriell erprobt und auf große Modulflächen hochskalierbar sind.
„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 lassen sich oft nicht in die industrielle Fertigung übertragen, weil ihr Herstellungsverfahren auf größeren Flächen nicht funktioniert. „Dass wir nun zum ersten Mal erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen mit einem industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch.“ Die Rückelektroden der Solarzellen werden im Prozessschritt davor im Sputterverfahren aufgebracht, ebenfalls ein etablierter Fertigungsweg.
Leistungsstarke Module mit hoher Transparenz
Bei der Entwicklung semitransparenter organischer Photovoltaik ist stets zwischen Lichtdurchlässigkeit und dem damit unvermeidlich verbundenen Effizienzverlust abzuwägen; ausgedrückt wird dies in der Lichtnutzungseffizienz (Light Utilization Efficiency, LUE). Bei den 210,25 cm² großen semitransparenten organischen Photovoltaikmodulen konnte das Forschungsteam bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 43,2 % einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 % erzielen. Das entspricht einer LUE von bis zu 4,0 %. Diese Ergebnisse wurden Anfang August im Fachjournal „Joule“ veröffentlicht.
„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. Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit von deutlich über 50 % könnten anstelle von Fenstergläsern in Gebäudefassaden oder in Gewächshäusern zum Einsatz kommen. In Anwendungen, bei denen getönte Gläser erwünscht sind – etwa in Autodächern und Fassadenelementen –, kann eine geringere Transparenz von Vorteil sein.
In den Modulen wurden jeweils mehr als 100 Solarzellen durch Laserstrukturierung miteinander verschaltet. Die Solarzellen bestehen aus einer im nahen Infrarot reflektierenden Rückelektrode, die per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht wurde, einer Absorberschicht aus organischen Halbleitern sowie einer metallfreien Top-Elektrode aus dem Polymer PEDOT:PSS, die in mehreren Schichten per Slot-Die aufgetragen wurde. Das Unternehmen Heraeus Epurio entwickelte für diese Top-Elektrode eine neue PEDOT:PSS-Formulierung, die dazu beitrug, dass die PV-Module eine höhere Transparenz erreichten.
Fortschritte bei flexiblen Modulen
Die Slot-Die-Beschichtung ist mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel und daher auch für die 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 % ihrer ursprünglichen Effizienz beibehielten“, berichtet Dr. Mathias List, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Das Unternehmen Rowo Coating stellte dafür die Folien her. „Der nächste Schritt ist, auch hier größere Modulflächen zu realisieren.“
Forschungsprojekt „Durchblick-PV“
Die Forschungsergebnisse sind Teil des Projekts Durchblick-PV – Entwicklung von organischen Solarmodulen mit hoher visueller Transparenz, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK, heute BMWE) unterstützt wurde. Projektpartner waren Heraeus Epurio, Rowo Coating, Asca und die Universität Freiburg.
