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:

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2021 ITO-Free Inverted OPV Modules from Non-Halogenated Solvents for Powering IoT Devices with Low Artificial Indoor Light
Müller, D.; Campos Guzmán, L.; Jiang, E.; Zimermann, B.; Würfel, U.
Vortrag
Presentation
2021 A 1 cm2 Organic Solar Cell with 15.2% Certified Efficiency. Detailed Characterization and Identification of Optimization Potential
Würfel, U.; Herterich, J.; List, M.; Faisst, J.; Bhuyian, F.M.; Schleiermacher, H.-F.; Knupfer, K.T.; Zimmermann, B.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Ion Movement Explains Huge Voc Increase despite Almost Unchanged Internal Quasi-Fermi-Level Splitting in Planar Perovskite Solar Cells
Herterich, J.; Unmüssig, M.; Loukeris, G.; Kohlstädt, M.; Würfel, U.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Quantifying Losses of Perovskite Solar Cells with Carbon-based Back-contacts and Outlining a Roadmap on Boosting their Power Conversion Efficiencies
Bogachuk, D.; Yang, B.; Suo, J.; Martineau, D.; Verma, A.; Narbey, S.; Anaya, M.; Frohna, K.; Müller, D.; Doherty, T.; Zouhair, S.; Herterich, J.; Wagner, L.; Hagfeldt, A.; Würfel, U.; Stranks, S.; Hinsch, A.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 Visualizing Morphological Principles for Efficient Photocurrent Generation in Organic Non-Fullerene Acceptor Blends
Köntges, W.; Perkhun, P.; Kammerer, J.; Alkarsifi, R.; Würfel, U.; Margeat, O.; Videlot-Ackermann, C.; Simon, J.-J.; Schröder, R.R.; Ackermann, J.; Pfannmöller, M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 ITO-Free Organic Photovoltaic Modules Based on Fluorinated Polymers Deposited from Non-Halogenated Solution: A Major Step toward Large-Scale Module Production
Ibraikulov, O.A.; Wang, J.; Kamatham, N.; Heinrich, B.; Méry, S.; Kohlstädt, M.; Würfel, U.; Ferry, S.; Leclerc, N.; Heiser, T.; Lévêque, P.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Do Zero-Energy Building Requirements Motivate Use of Higher Efficiency Solar Cells?
Bett, A.W.
Vortrag
Presentation
2019 Recombination between Photogenerated and Electrode-Induced Charges Dominates the Fill Factor Losses in Optimized Organic Solar Cells
Würfel, U.; Perdigón-Toro, L.; Kurpiers, J.; Wolff, C.M.; Caprioglio, P.; Rech, J.J.; Zhu, J.; Zhan, X.; You, W.; Shoaee, S.; Neher, D.; Stolterfoht, M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Correct determination of charge transfer state energy from luminescence spectra in organic solar cells
List, M.; Sarkar, T.; Perkhun, P.; Ackermann, J.; Luo, C.; Würfel, U.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Apparent Field-Dependence of the Charge Carrier Generation in Organic Solar Cells as a Result of (Bimolecular) Recombination
Würfel, U.; Unmüssig, M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Trends in Solar Electricity
Bett, A.W.
Vortrag
Presentation
2018 Electron-selective contacts via ulta-thin organic interface dipoles for silicon organic heterojunction solar cells
Reichel, C.; Würfel, U.; Winkler, K.; Schleiermacher, H.-F.; Kohlstädt, M.; Unmüssig, M.; Messmer, C.A.; Hermle, M.; Glunz, S.W.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Silicon-Organic Heterojunction Solar Cells with Electron-Selective Contacts Based on Organic Interface Dipoles
Reichel, C.; Würfel, U.; Winkler, K.; Schleiermacher, H.-F.; Kohlstädt, M.; Unmüssig, M.; Messmer, C.; Hermle, M.; Glunz, S.W.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2017 Positive side of disorder: Statistical fluorene-carbazole-TTBTBTT terpolymers show improved optoelectronic and photovoltaic properties compared to the regioregular structures
Akkuratov, A.; Mühlbach, S.; Susarova, D.K.; Seßler, M.; Zimmermann, B.; Razumov, V.F.; Würfel, U.; Troshin, P.A.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 Luminescence spectroscopy and thin-film interference effects in organic solar cells
List, M.; Reinhardt, Y.J.; Würfel, U.
Vortrag
Presentation
2017 On the impact of contact selectivity and charge transport on the open-circuit voltage of organic solar cells
Spies, A.; List, M.; Sarkar, T.; Würfel, U.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 Organic solar cells: Extraction of physical parameters by means of markov chain Monte Carlo techniques
Raba, A.; Leroy, Y.; Kohlstädt, M.; Würfel, U.; Cordan, A.-S.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2016 Impact of charge carrier transport and electrode selectivity on the performance of organic solar cells
Würfel, U.; Spies, A.; List, M.; Kohlstädt, M.
Vortrag
Presentation
2016 Charge carrier selectivity for contacts for organic solar cells
Spies, A.; List, M.; Sarkar, T.; Würfel, U.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2016 Laser patterning of vacuum processed small molecular weight organic photovoltaics
Röttinger, S.; Schwarz, B.; Schäfer, S.; Gauch, R.; Zimmermann, B.; Würfel, U.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2016 How molecules with dipole moments enhance the selectivity of electrodes in organic solar cells - a combined experimental and theoretical approach
Würfel, U.; Seßler, M.; Unmüßig, M.; Hofmann, N.; List, M.; Mankel, E.; Mayer, T.; Reiter, G.; Bubendorff, J.-L.; Simon, L.; Kohlstädt, M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2016 Impact of charge carrier transport and electrode selectivity on the performance of (organic) solar cells
Würfel, U.; Spies, A.; List, M.; Kohlstädt, M.
Vortrag
Presentation
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica