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
• Module und Produktionsprozesse
• Langzeitstabilität
• Modellierung und Charakterisierung

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.

• 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 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.