Organische Solarzellen und -module

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 Silicium 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 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% (18% 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 infrarotes 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.  

 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Organische Solarzellen und Module« umfassen:

Materialscreening und Zellstapel-Optimierung

Materialien-Zellstapel
© Fraunhofer ISE
Unsere hervorragende Laborinfrastruktur erlaubt, dank automatisierter Basischarakterisierung, eine schnelle Qualifizierung und Parameteroptimierung. Dabei können die Solarzellen sowohl an Umgebungsluft als auch vollständig unter Schutzgas hergestellt werden.

Weltweit werden laufend neue organische Halbleiter synthetisiert. Die hohe Zahl neuer Materialien macht ein laufendes Screening aktueller, vielversprechender Materialien nötig. Unser Augenmerk liegt dabei nicht nur auf dem höchsten Wirkungsgrad, sondern auch auf der Langzeitstabilität und der Kompatibilität mit produktionsrelevanten Zellstapeln und Prozessen.

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

Module und Produktionsprozesse

© Fraunhofer ISE/Foto: Thomas Klink
Mit der Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage am Fraunhofer ISE lassen sich Produktionsgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute erreichen.

Von labornahen Weltrekordmodulen bis zu vollständig im Rolle-zu-Rolle Verfahren hergestellten flexiblen OPV-Modulen können wir mit verschiedenen Beschichtungsverfahren an Luft und unter Inertgas Module auf starren und flexiblen Substraten herstellen. Zentrale Punkte der Entwicklungen sind skalierbare Prozesse unter Verwendung kostengünstiger und unbedenklicher Materialien. Zellstapel, Verschaltungskonzept und die Dimensionierung werden je nach Anwendung spezifisch optimiert.

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

Langzeitstabilität

Langzeitstabilität
© Fraunhofer ISE
Organische Solarmodule auf dem Dachmesstand am Fraunhofer ISE.

Auch die Anforderungen an die Langzeitstabilität und wesentliche Einflussfaktoren hängen stark von der Zielanwendung ab. Mit verschiedenen Alterungstests unter kontrollierten Bedingungen sowie im Freien können die jeweils entscheidenden Faktoren identifiziert und die OPV-Module gezielt verbessert werden.

Modellierung und Charakterisierung

Charakterisierung organischer Solarzellen
© Fraunhofer ISE
Elektrolumineszenz organischer Solarzellen mit verschiedenen Kontaktschichten. Findet starke Rekombination am Kontakt statt, bleiben die Zellen dunkel.

Ein tiefgreifendes Verständnis der Funktionsweise von organischen Solarzellen ist auf lange Sicht entscheidend für eine effiziente Fortentwicklung der Technologie. Ein breites Spektrum an Charakterisierungsmethoden hilft gezielt, limitierende Faktoren zu finden. Die Modellierung erlaubt es, Hypothesen zu Einflussmechanismen quantitativ zu prüfen und so ein immer detaillierteres Verständnis zu erlangen.

  • Elektrische Simulation von Bauteilen (Sentaurus TCAD)
  • Optische Simulation (Transfer-matrix und RCWA)
  • Elektrooptische Charakterisierung, um Funktionsprinzipien 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. 

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

Forschungsprojekt

ADAPT

Klimaanpassung durch organische Agri-Photovoltaik

Forschungsprojekt

ORGANAUT

Organische Photovoltaik für autonome vernetzte Sensoren und IoT

Laborzentrum

Zentrum für Neuartige PV-Technologien

Laborinfrastruktur für Perowskitsolarzellen und -module, Organische Solarzellen und -module sowie Perowskit-Silicium Tandemphotovoltaik.

Aktuelle Veröffentlichungen zum Thema Organische Solarzellen: