ORGANAUT – Organische Photovoltaik für autonome vernetzte Sensoren und IoT

Organische Solarzellen sind aufgrund ihrer typischerweise größeren Bandlücke bestens für den Einsatz in Innenräumen mit den dort herrschenden Beleuchtungsbedingungen geeignet. So erlauben Spektren von Fluoreszenzlampen oder LEDs bei 500 lux theoretische Wirkungsgrade von bis zu >55% für Bandlücken der Absorber im Bereich von ca. 1.9 eV.
Um dieses hohe Potenzial bei den geringen Lichtintensitäten auszunutzen, müssen die Solarzellen allerdings extrem hohe Parallelwiderstände aufweisen, weil sonst signifikante Spannungsverluste auftreten. Um dies zu gewährleisten, kommt u.a. ein am Fraunhofer ISE und der Universität Freiburg entwickeltes und zum Patent angemeldetes Elektrodensystem zum Einsatz. So konnten wir bereits vielversprechende Wirkungsgrade von ca. 20% erreichen.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Verbundprojekt »ORGANAUT« entwickeln wir organische Solarzellen und Module für den Einsatz unter Beleuchtungsbedingungen, wie sie in Innenräumen herrschen. Damit wollen wir Sensoren und Funkdatenlogger mit elektrischer Energie versorgen.

Dazu entwickeln wir flexible organische Solarmodule, die auf kostengünstigen Elektroden basieren. So wollen wir Kosten einsparen und gleichzeitig lokale Kurzschlüsse vermeiden. Letzteres ist auf Grund der geringen Lichtintensitäten (zumeist 100-500 lux) essentiell, um hohe Wirkungsgrade zu realisieren. Unsere Elektrodenentwicklung zielt darauf ab, eine hohe Toleranz gegenüber Beschichtungsdefekten zu erreichen. Dies wird zunächst auf kleinen Flächen mittels Solarzellen untersucht, bevor die Prozesse dann auf der Modulebene auf unsere Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage übertragen werden. Die Zellen und Module durchlaufen verschiedene Tests zur beschleunigten Alterung, z.B. bei erhöhter Temperatur. Begleitet wird dies von Arbeiten zur Charakterisierung und Modellierung, welche u.a. an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg stattfindet. Ziel ist es, die den Wirkungsgrad beschränkenden Faktoren möglichst genau zu identifizieren und das Optimierungspotenzial zu evaluieren. Die so gewonnenen Erkenntnisse fließen in die weiteren Experimente zur Optimierung des Zellstapels und des Modullayouts ein.

Die so ermittelten Materialkombinationen und Parameter werden anschließend zum Industriepartner ASPF übertragen, wo die Herstellung der organischen Solarmodule mit verschiedenen Formen und Größen stattfindet. Die Firma endiio wird dann ihre Sensorsysteme mit Funkdatenlogger und intelligenter Ladelektronik mit der elektrische Energie von den organischen Solarmodulen versorgen und die Systeme unter realen industriellen Einsatzbedingungen testen.