Organic Photovoltaics

Organic photovoltaics offers unique potential for the generation of environmentally friendly electrical energy. The semiconducting materials essentially consist of hydrocarbons, ranging from small molecules to polymers. The layers of organic solar cells are around 1000 times thinner than crystalline silicon solar cells, ranging from a few nanometers for certain contact layers to several hundred nanometers for the light-absorbing layers. This makes them extremely light, flexible and unbreakable, determined solely by the packaging. Due to the low material consumption, the simple processing with printing and coating processes and the avoidance of critical elements such as lead or cadmium, the ecological footprint is extremely small.

OPV technology has the potential to further increase CO₂ savings through photovoltaics and drastically reduce energy recovery times. As the materials are carbon-based, it is even conceivable in the long term to produce them synthetically from CO₂, provided that such technologies, such as Power-to-X, can be established in the future. The molecularly shaped optical properties open up unrivaled adaptability, so that a wide variety of types of solar cells can be developed, from classic single-junction solar cells with efficiency potential of at least 20% (19% has already been achieved in the laboratory), to multi-junction solar cells with potential for even higher efficiencies or solar cells specially adapted to artificial light sources, to spectrally selective solar cells that are highly transparent in the visible spectral range and use UV and infrared light to generate electricity. As a result, this technology can enable innovative products such as floating photovoltaic films, electricity-generating awnings, window panes and greenhouses, particularly in integrated photovoltaics.  In the short term, initial applications as an energy source for wireless sensor technology in the areas of production, logistics and smart homes appear feasible. 

This extraordinary potential motivates us to work with our partners to tackle the existing challenges in terms of efficiency, long-term stability, scaling up to modules and production processes in a targeted and application-specific manner.

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 feine 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:

Von labornahen Weltrekordmodulen 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 eine Anwendung 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 Module
• 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 identifiziere
• Bildgebende Verfahren (Thermographie, ortsaufgelöster Photostrom, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz), um Defekte zu lokalisieren und Beschichtungen und Produktionsprozesse zu optimieren.

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