Organische Photovoltaik

Die organische Photovoltaik bietet ein einzigartiges Potenzial für die Erzeugung umweltfreundlicher elektrischer Energie. Die halbleitenden Materialien bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, von kleinen Molekülen bis zu Polymeren. Die Schichten der organischen Solarzellen sind mit wenigen Nanometern für bestimmte Kontaktschichten bis einige hundert Nanometer für die lichtabsorbierenden Schichten etwa 1000-mal dünner als bei Silizium-Solarzellen. Sie sind damit extrem leicht, flexibel und unzerbrechlich, allein bestimmt durch die Verpackung. Durch den geringen Materialverbrauch, die einfache Prozessierung mit Druck- und Beschichtungsprozessen bei niedrigen Temperaturen und die Vermeidung kritischer Elemente wie Blei oder Cadmium ist der ökologische Fußabdruck äußerst klein.

Die OPV-Technologie hat das Potenzial die CO₂ Einsparungen durch Photovoltaik nochmals stark zu erhöhen und Energierückgewinnungszeiten drastisch zu verkürzen. Da die Materialien Kohlenstoff-basiert sind, ist auf lange Sicht sogar denkbar, diese synthetisch aus CO₂ herzustellen, sofern solche Technologien, wie zum Beispiel Power-to-X, in der Zukunft etabliert werden können. Die molekular geprägten optischen Eigenschaften eröffnen eine unerreichte Anpassungsfähigkeit, so dass verschiedenste Typen von Solarzellen entwickelt werden können, von klassischen einfach-Solarzellen mit Wirkungsgradpotenzial von mindestens 20% (19% wurden im Labor bereits erreicht), über Mehrfachsolarzellen mit einem Potenzial für noch höhere Wirkungsgrade oder speziell an künstliche Lichtquellen angepasste Solarzellen, bis hin zu spektral selektiven Solarzellen, die im sichtbaren Spektralbereich hochtransparent sind und UV- und nahinfrarotes Licht zur Stromgewinnung nutzen. Damit kann diese Technologie insbesondere in der integrierten Photovoltaik neuartige Produkte wie schwimmende Photovoltaikfolien, stromerzeugende Markisen, Fensterscheiben und Gewächshäuser ermöglichen. Kurzfristig erscheinen erste Anwendungen als Energiequelle für drahtlose Sensorik in den Bereichen Produktion, Logistik und Smart Home umsetzbar.

Dieses außerordentliche Potenzial motiviert uns, gemeinsam mit unseren Partnern die bestehenden Herausforderungen beim Wirkungsgrad, der Langzeitstabilität, der Aufskalierung zu Modulen, und den Produktionsprozessen zielgerichtet und anwendungsspezifisch anzugehen.  

• Materialscreening und Zellstapel-Optimierung von organischen Solarzellen
• Organische Photovoltaik mit hoher visueller Transparenz
• Module und Produktionsprozesse der organischen Photovoltaik
• Langzeitstabilität von organischen Solarzellen
• Charakterisierung und Modellierung von organischen Solarzellen

Weltweit werden fortwährend neuartige organische Halbleiter und Kontaktmaterialien synthetisiert. Dies macht ein laufendes Screening aktueller, vielversprechender Materialien unabdingbar. Unser Augenmerk liegt dabei nicht nur auf höchsten Wirkungsgraden, sondern auch auf der Langzeitstabilität und der Kompatibilität mit produktionsrelevanten Zellstapeln und Prozessen. Für verschiedene Anwendungen werden jeweils die am besten geeigneten Materialien identifiziert.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Test von Materialien und Komponenten für den Einsatz in organischen Solarzellen
• Benchmarking in Referenzzellstapeln
• Entwicklung von produktionsrelevanten Zellkonzepten

Die organische Photovoltaik bietet ein einzigartiges Potenzial für Module mit hoher visueller Transparenz. Da organische Halbleiter aufgrund des molekularen Charakters nur eine begrenzte Bandbreite an Licht absorbieren, lassen sich Materialien herstellen, die nahinfrarotes Licht stark absorbieren, sichtbares Licht dagegen kaum. Dies ist mit anderen Technologien auf Basis von Bandkantenhalbleitern wie Silizium, anorganischen Dünnschichtmaterialien oder auch Perowskiten aufgrund fundamentaler Unterschiede der Materialeigenschaften nicht möglich. Die spektrale Selektivität organischer Halbleiter erlaubt es theoretisch, vollkommen transparente Photovoltaik herzustellen, deren Wirkungsgradpotenzial 20% beträgt. Zudem lassen sich durch präzise Laserstrukturierung Module herstellen, die kaum sichtbare Strukturen aufweisen. Im Terawatt-Maßstab kann hochtransparente OPV perspektivisch in den Bereichen Agri-Photovoltaik, Gebäudeintegration und e-Mobilität Anwendung finden. Wir arbeiten intensiv daran, diese Potenziale auszuschöpfen.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Entwicklung von hochtransparenten Frontelektroden und optisch selektiven Rückelektroden mit hoher Transmission im sichtbaren und hoher Reflektivität im nahinfraroten Spektralbereich
• Anwendungsspezifische Optimierung des Schichtstapels im Hinblick auf den gewünschten Transparenzgrad sowie des Layouts von Modulen
• Herstellung von Demonstratormodulen

Von labornahen hocheffizienten Modulen bis zu vollständig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellten flexiblen OPV-Modulen können wir mit verschiedenen Beschichtungsverfahren an der Luft und unter Inertgas Module auf starren und flexiblen Substraten prozessieren. Zentraler Schwerpunkt unserer Entwicklungstätigkeiten sind skalierbare Prozesse unter Verwendung kostengünstiger und unbedenklicher Materialien. Dabei werden Zellstapel, Verschaltungskonzept und die Dimensionierung für die jeweilige Anwendung spezifisch optimiert. So unterscheiden sich zum Beispiel optimale Module für den Gebrauch unter Innenraumbeleuchtung deutlich von solchen, die im Außenbereich eingesetzt werden sollen. Von solchen praktischen Unterschieden sind dann im Konkreten sowohl die Wahl des organischen Halbleitermaterials, als auch die Elektrodenschichten und das Modullayout abhängig.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Anwendungsspezifische Optimierung des Layouts von Modulen
• Entwicklung kostengünstiger und robuster Modulkonzepte
• Herstellung von Demonstratormodulen

Die Anforderungen an die Langzeitstabilität und wesentliche Einflussfaktoren hängen stark von der jeweiligen Anwendung ab. Durch verschiedene Alterungstests unter kontrollierten Bedingungen (z.B. kontinuierliche Beleuchtung mit simuliertem Sonnenlicht oder LEDs, erhöhte Temperatur) sowie im Freien können die jeweils entscheidenden Faktoren identifiziert und die OPV-Module gezielt verbessert werden. Von kleinen Laborzellen bis zu OPV-Modulen können wir die Langzeitstabilität durch Messung von Kennlinien und Maximum-Power-Point-Tracking präzise ermitteln. Durch die Erfassung wichtiger Umweltparameter lassen sich Korrelationen herstellen sowie das Verhalten bei verschiedenen Lichtintensitäten, Einfallswinkeln und Temperaturen ermitteln. Durch die Ermittlung solcher Daten und eine eingehende Charakterisierung lassen sich die entscheidenden Faktoren für die Degradation identifizieren und die Bauteilstabilität von OPV-Modulen verbessern.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Beschleunigte Alterung im Labor
• Außenbewitterung auf einem Dachmessstand
• Normtests im akkreditierten Prüflabor

Ein tiefgreifendes Verständnis der Funktionsweise von organischen Solarzellen ist auf lange Sicht entscheidend für eine effiziente Weiterentwicklung der Technologie. Ein breites Spektrum an Charakterisierungsmethoden ermöglicht es, gezielt limitierende Faktoren zu finden. Die Modellierung erlaubt es, Hypothesen zu Einflussmechanismen quantitativ zu prüfen und so ein zunehmend detaillierteres Verständnis zu erlangen. Auch im Bereich der Langzeitstabilität helfen diese Methoden, sowohl um Schwachstellen in der Verkapselung zu lokalisieren als auch um Degradationsmechanismen zu identifizieren.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Elektrische Simulation von Bauteilen (Sentaurus TCAD)
• Optische Simulation (Transfer-Matrix und RCWA)
• Elektrooptische Charakterisierung, um Funktionsprinzipen und begrenzende Komponenten in den Solarzellen zu identifizieren
• Bildgebende Verfahren (Thermographie, ortsaufgelöster Photostrom, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz), um Defekte zu lokalisieren und Beschichtungen und Produktionsprozesse zu optimieren

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