Organische Photovoltaik

16. September 2010, Würzburg

Nachbericht

„Organische Photovoltaik“

Fortschritt bei Wirkungsgrad und Langzeitstabilität
Umfangreicher Markteintritt von OPV in den nächsten Jahren
270 Teilnehmer von Wirtschaft und Wissenschaft aus elf Ländern

Wer von Photovoltaik spricht, denkt an siliziumbasierte Solarzellen. Dies trifft nicht für die Organische Photovoltaik (OPV) zu, wo organische Halbleiter das Herzstück der Solarzelle bilden. Einfache Produktion und hohe Flexibilität machen organische Solarzellen zu einer Alternative bei anspruchsvollen Fassaden und portabler Energieversorgung. Sind es heute noch Nischenanwendungen, wird die OPV in absehbarer Zeit den Massenmarkt erobern. Dank preiswerter Drucktechnologie und Kunststofffolien als Träger lassen sich große Flächen bei niedrigen Kosten herstellen.

Vor diesem Hintergrund fand am 16. September 2010 die erste internationale Konferenz „Organische Photovoltaik" mit begleitender Fachausstellung und Postersession in Würzburg statt. Die Konferenz wurde konzipiert und organisiert von der Bayern Innovativ GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung. Unterstützung erfuhr sie durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie. Weitere Partner waren der Cluster Neue Werkstoffe, das Netzwerk BAIKEM für Elektronik und Mikrotechnologie, das Bayerische Energie-Forum sowie die Organic Electronics Association.

Die 270 Teilnehmer und 12 Aussteller aus elf Ländern erlebten, welche Leistungssteigerungen organische Solarzellen in den letzten Jahren erzielten. Professor Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH stellte in seiner thematischen Einführung die regionale Kompetenz in dieser hoch innovativen Technologie dar. Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen im Großraum Nürnberg, Würzburg und München arbeiten intensiv im Bereich der OPV.
Die 270 Konferenzteilnehmer setzten sich aus 120 Vertretern der Wissenschaft und 150 Vertretern aus unterschiedlichen Branchen der Wirtschaft zusammen, was den noch großen wissenschaftlichen Bezug aufzeigt. Im Wesentlichen geht es um die Erhöhung der Wirkungsgrade, um Langzeitstabilität sowie um den Einsatz kostengünstiger Materialien und Drucktechnologien.
Wirkungsgrade von acht Prozent sind keine Seltenheit, weitere Erhöhungen auf zehn Prozent sind in Reichweite. Er sehe keinen Grund, warum nicht auch 20 Prozent erreicht werden könnten, betonte Professor Serdar Sariciftci vom Linzer Institute for Organic Solarcells (LIOS), ehemaliger Mitarbeiter im Team des Nobelpreisträgers Alan Heeger, dem Forschungspionier der OPV. Er spannte einen weiten Bogen von den Anfängen solarer Energiegewinnung auf der Pariser Weltausstellung von 1878 bis zu heutiger Spitzenforschung in Europa und den USA.

An der Schnittstelle von Chemie und Physik sowie Nano- und Verfahrenstechnologie zeigt OPV, wie rasche Fortschritte im Zusammenspiel der Wissenschaften möglich sind. Organische- und Polymersolarzellen beruhen auf einem ähnlichen Prinzip: Durch die einfallenden Sonnenstrahlen werden gebundene Elektronen in den halbleitenden Materialien in das Leitungsband gehoben und stehen als freie Ladungsträger zur Verfügung. Das halbleitende Material bezeichnet man als photoaktive Schicht die in der OPV meistens aus Farbstoffmolekülen oder elektrisch leitfähigen Kunststoffen besteht. Die freien Elektronen wandern zu einer zweiten Schicht, beispielsweise bestehend aus Fullerenen die man auch als Elektronenakzeptor bezeichnet. Durch eine Potenzialdifferenz an den Außenelektroden wandern die Elektronen und können außen abgegriffen und in einen Stromkreislauf gebracht werden.

Aktivitäten im Bereich Photovoltaik am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) wurden vom Vorstandvorsitzenden Professor Vladimir Dyakonov vorgestellt. In Erlangen und in Würzburg arbeiten Wissenschaftler des ZAE Bayern an zukünftigen Konzepten der OPV. Hinzu kommen Prüfmethoden mit bildgebenden Verfahren um Fehler in den Solarzellen zu detektieren. Das ZAE Bayern arbeitet eng mit den Universitäten in Erlangen/Nürnberg und Würzburg und weiteren weltweit renommierten Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet zusammen.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Materialien für die Organische Photovoltaik

Vergleicht man unterschiedliche Photovoltaiktechnologien wie Monokristalline- und Multikristalline-Module und verschiedene Dünnschichttechnologien mit der OPV so fällt auf, dass sie mit Wirkungsgraden um 5% am ehesten mit der amorphen Silizium-Dünnschichttechnologie korrespondiert . Andere Dünnschichttechnologien liegen mit ihren Wirkungsgraden um 10% und Kristalline Module sogar schon bei über 15%. Doch die eingesetzten Halbleitermaterialien haben unterschiedliche physikalische Grenzen die bei der OPV noch lange nicht ausgeschöpft sind. Aus diesem Grund kommt der Weiterentwicklung der Materialien eine besondere Bedeutung zu. Hier werden zwei verschiedene Ansätze unterschieden. Einmal die Dye-sensitized Solar Cell technology (DSSC) die auch als Farbstoffsolarzellen bezeichnet wird und zum anderen Solarzellen basierend auf elektrisch leitfähigen Polymeren.

Über wesentliche Fortschritte in der Entwicklung von Farbstoffsolarzellen konnte Dr. Peter Erk von BASF berichten. Eine Schicht aus porösem Titanoxid wird mit dem Farbstoff infiltriert. Der eingesetzte Farbstoff fungiert als Halbleiter und gibt bei einfallendem Licht Elektronen an die poröse Titanoxidschicht ab, die die Elektronen weiter an die Elektrode leiten. Die von der BASF eingesetzten Farbstoffe zeichnen sich durch hohe Stabilität und unterschiedliche Farbgestaltungsmöglichkeiten aus. Wirkungsgrade von über 6% wurden im Labor erreicht.

Die Alternative zu den Farbstoffsolarzellen stellen die elektrisch leitfähigen Polymere dar. Mats Andersson von der Chalmers University of Technology in Gothenburg Schweden stellte unterschiedlich selbst synthetisierte Polymere mit verschiedenen halbleitenden Eigenschaften vor. Sie unterscheiden sich in Ihrer Bandlücke, die verantwortlich für das absorbierte Licht ist. Polymere mit geringen Bandlücken absorbieren das energieärmere rote und Infrarote Licht wo hingegen die Polymere mit großer Bandlücke mehr das energiereichere blaue und grüne Licht absorbieren. Ziel ist es eine Solarzelle zu bauen die ein möglichst breites Spektrum des Sonnenlichtes absorbiert.
Der Herstellungsprozess von Fullerenen die als Elektronenakzeptor in der OPV sowohl bei den Farbstoffsolarzellen als auch bei den Polymeren zum Einsatz kommen ist momentan noch kostenaufwändig vor allem wenn es um hoch reine Substanzen geht so Dr. David Kronholm Geschäftsführer der Solenne B.V. aus Groningen Niederlande.
Professor Jenny Nelson vom Imperial College in London sprach von energetischen Autobahnen („high mobility pathways"), die sich künftige Solarzellen zunutze machen sollten. Dabei geht es darum, den frei beweglichen Elektronen in der Solarzelle möglichst wenig Widerstand entgegen zu setzen. Nelson Modellierte unterschiedliche Fullerenstrukturen die sich in ihren Seitenketten unterscheiden und die Beweglichkeit der Elektronen beeinflussen. Die höheren Elektronenbeweglichkeiten führen dann direkt zu höheren Wirkungsgraden.
Die Materialien und Strukturen um die es sich dabei handelt sind in Größenordnungen von Nanometern.

Modulaufbau von Organischen Solarzellen

Der Durchbruch der organischen Photovoltaik kam mit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie im Jahr 2000 an Alan Heeger, Physik-Professor an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara. Heeger erhielt den Chemie-Nobelpreis gemeinsam mit Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa für die Entdeckung und Entwicklung von leitfähigen Polymeren bei denen beide Komponenten der photoaktiven Schicht aus organischen Materialien bestehen (Polymere und z.B. Fullerene). In 2007 entwickelte der Nobelpreisträger eine organische Doppel-Solarzelle mit gesteigertem Wirkungsgrad. Im Fachjargon spricht man von Tandem- oder Multijunction-Solarzelle. Die Tandem-Solarzelle besteht aus zwei Schichten, die sowohl kurze als auch längere Lichtwellen absorbieren und somit ein breiteres Sonnenspektrum aufnehmen als Zellen, die nur eine Schicht aufweisen. "Das Ergebnis war die Erhöhung des Wirkungsgrades auf 6,5 %.
Professor Paul Blom vom HOLST Center der Universität Eindhoven zeigte Möglichkeiten und Grenzen solcher Tandem-Solarzellen auf. Ihr Wirkungsgrad verdoppelt sich nicht einfach, sondern muss aufwändig stabilisiert werden. Leistungssteigerungen von Drei- und Vierfachsolarzellen seien auf diesem Weg schwer zu realisieren. Großes Potenzial stecke vielmehr im gesamten Aufbau der Solarzelle einschließlich verwendeter Materialien und Elektroden so Blom.
Mittlerweile werden auch Hybrid-Solarzellen entwickelt. Bei Hybrid-Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus einer Mischung aus anorganischen Nanopartikeln und einem organischen Polymer. Die Wirkungsgrade liegen noch unterhalb derer von reinen Farbstoffsolarzellen oder Polymer-Solarzellen. Ziel ist es durch die Kombination höhere Wirkungsgrade und kostengünstigere Syntheseverfahren zum Einsatz kommen zu lassen.

Produktion, Anwendung und Langzeitstabilität

Um konkurrenzfähig zu werden, müssen organische Solarzellen von morgen niedrige Kosten mit höherem Wirkungsgrad und garantierter Langzeitstabilität vereinen. Im Test absolvieren aktuelle Modelle bereits 5000 Stunden ohne wesentliche Leistungseinbuße. Das entspricht einer tatsächlichen Arbeitsleistung von rund acht Jahren. Damit ist eine effiziente, preisgünstige Photovoltaik in Reichweite, so Dr. Martin Pfeiffer, CTO bei Heliatek. Bei diesen Solarzellen handelt es sich allerdings noch um Testmodule auf Glas. Module auf Kunststofffolie erreichen bisher nicht diese Stabilität und Wirkungsgrade, doch zeigen die Ergebnisse dass die eingesetzten Materialien das Potenzial für einen langen Einsatz haben.

Kostenvorteile spielt OPV in der Herstellung aus. Pioniere wie Konarka setzen auf ausgereifte Drucktechniken und Rolle-zu-Rolle-Produktionstechnologien. „Wir sind schon heute Massenproduzent", sagte Dr. Jens Hauch, Direktor F&E bei Konorka. Hochflexible Solarzellen lassen sich in Fassaden und Fensterflächen integrieren. Ihre Farbgebung kann genau auf die jeweilige Architektur abgestimmt werden. Somit kommt der OPV eine besondere Rolle in der Gebäudeintegrierten Photovoltaik zu.

Eine weitere Rolle-zu-Rolle-Produktionstechnologie wurde von Professor Frederik Christian Krebs vom Riso National Laboratory for Sustainable Energy in Roskilde Dänemark vorgestellt. Die Entwicklungen gehen in die Richtung möglichst wenig Material bei möglichst hohem Durchsatz zu verwenden. Der gesamte Aufbau der organischen Solarzelle wird in nur einem Rolle-zu-Rolle-Durchgang vollzogen wodurch viel Zeit gespart wird. Eine Inline-Qualitätskontrolle ist im Produktionsprozess integriert um nicht erst im Anschluss Qualitätsmängel zu entdecken. Dadurch werden weitere Produktionskosten und unnötiger Ausschuss reduziert.

Podiumsdiskussion „Quo vadis OPV?"

In der abschließenden Podiumsdiskussion, Moderiert von Dr. Oliver Herwig, freier Journalist aus München wurde auch das Thema Energieversorgung diskutiert. Auch wenn der Markteintritt der OPV über einen Nischenmarkt erfolgt, soll sie in Zukunft auch eine Rolle bei der Energieversorgung spielen.

Mitveranstalter Professor Christoph Brabec von der Universität Erlangen sah die Zukunft unserer Energieversorgung daher in einem Mix verschiedenster Technologien. Dies gilt auch innerhalb der Photovoltaik. Würde man sich auf eine Technologie konzentrieren so entstehen zwangsweise Engpässe bei den eingesetzten Ressourcen. Gestern war es die Siliziumknappheit morgen sind es Engpässe beim Glas oder bei den eingesetzten Metallen. Eine Vielfalt an unterschiedlichen Technologien in der Photovoltaik führt zu einem stetigeren Wachstum und macht sie unanfälliger für Spekulationen. Morgen, da waren sich alle Experten einig, gäbe es genug Raum für verschiedene Technologien auch für die OPV.

Einen Vorgeschmack auf die künftige Produktwelt bot die Begleitende Fachausstellung der Konferenz. Vom flexiblen und aufrollbaren Ladegerät für Handys bis zur preiswerten Stromversorgung in Entwicklungsländern. Die hohe Entwicklungsdynamik dieser jungen Technologie schafft völlig neue Anwendungsbereiche, die Ethik und Ästhetik verbinden. Der Durchbruch von kommerziellen Applikationen wird in den nächsten Jahren erfolgen. Schon heute steht fest diese herausragende Konferenz zu wiederholen: Die Nachfolgekonferenz „Organische Photovoltaik" wird am 22. September 2011 wieder hochkarätige Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft nach Würzburg führen.