Semitransparente Solarzellen: Organische PV erreicht 43 Prozent Transparenz und 9,26 Prozent Wirkungsgrad
Eine neue Entwicklung aus Deutschland könnte der organischen Photovoltaik den Weg in größere Anwendungen ebnen: Forscherinnen und Forscher der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben semitransparente organische PV-Module mit einer durchschnittlichen Lichtdurchlässigkeit von 43,2 Prozent und einem Wirkungsgrad von bis zu 9,26 Prozent hergestellt. Besonders wichtig: Die Module wurden mit Beschichtungsverfahren gefertigt, die bereits industriell eingesetzt werden und sich auf größere Flächen übertragen lassen.
Die entwickelten Module messen jeweils 14,5 × 14,5 Zentimeter und verfügen damit über eine aktive Fläche von 210,25 Quadratzentimetern. Die Ergebnisse wurden Anfang August im Fachjournal Joule veröffentlicht.
Bei transparenten Solarmodulen besteht grundsätzlich ein Zielkonflikt: Je mehr Sonnenlicht durch das Modul hindurchgelassen wird, desto weniger Licht steht für die Stromerzeugung zur Verfügung. Die Forschenden erreichten nun jedoch eine bemerkenswerte Kombination aus beiden Eigenschaften.
Bei einer durchschnittlichen Transparenz von 43,2 Prozent im sichtbaren Bereich erzielten die Module bis zu 9,26 Prozent Wirkungsgrad. Daraus ergibt sich eine sogenannte Lichtnutzungseffizienz (Light Utilization Efficiency, LUE) von bis zu 4,0 Prozent.
„Die Hochskalierung auf große Flächen ist eine der großen Herausforderungen bei der organischen Photovoltaik“, erklärt Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE.
Denn was im Labor mit kleinen Solarzellen funktioniert, lässt sich nicht automatisch auf größere Module übertragen. Genau an diesem Punkt setzt die aktuelle Entwicklung an.
Die Forschenden kombinierten zwei Verfahren, die für die spätere industrielle Fertigung besonders interessant sind: Sputtern und Slot-Die-Beschichtung.
Beim Sputtern wird zunächst die Rückelektrode auf ein Glassubstrat aufgebracht. Anschließend werden die weiteren Schichten mittels Slot-Die-Verfahren – einer industriell etablierten Schlitzdüsenbeschichtung – aufgetragen.
Damit konnten erstmals sämtliche Schichten der organischen Solarzellen mit einem industriell umsetzbaren Verfahren hergestellt werden, ohne die bei der Hochskalierung häufig auftretenden deutlichen Effizienzverluste.
„Dass wir nun zum ersten Mal erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen per industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch“, so Würfel.
Die Module bestehen aus jeweils mehr als 100 einzelnen Solarzellen, die mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltet werden. Zum Einsatz kommen organische Halbleiter als Absorberschicht sowie eine metallfreie Top-Elektrode aus dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS.
Eine neu entwickelte PEDOT:PSS-Formulierung des Projektpartners Heraeus Epurio trägt dazu bei, die Transparenz der Module zu erhöhen.
Interessant ist auch die spektrale Eigenschaft der organischen Photovoltaik: Die Materialien können so ausgelegt werden, dass bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts zur Stromerzeugung genutzt werden, während andere Bereiche des sichtbaren Lichts weitgehend durchgelassen werden.
Damit eröffnet die Technologie interessante Anwendungen überall dort, wo Solarstrom erzeugt werden soll, ohne den Lichteinfall vollständig zu blockieren.
Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) ist ein besonders naheliegendes Einsatzgebiet. Transparente oder semitransparente Solarmodule könnten in Fassaden und Verglasungen integriert werden. Bei einer Transparenz von mehr als 50 Prozent könnten sie perspektivisch sogar als Alternative zu bestimmten Fenstergläsern eingesetzt werden.
Auch für die Agri-Photovoltaik sind die Eigenschaften interessant. Semitransparente Module könnten beispielsweise auf Gewächshäusern eingesetzt werden, wobei ein Teil des Sonnenlichts weiterhin für das Pflanzenwachstum zur Verfügung steht.
Eine geringere Transparenz kann wiederum bei Anwendungen erwünscht sein, bei denen getönte Oberflächen ohnehin gefragt sind – etwa bei Autodächern oder Fassadenelementen.
Die Forschenden haben zudem bereits flexible organische PV-Module auf Folie hergestellt. Das ist deshalb relevant, weil Slot-Die-Beschichtung grundsätzlich mit Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren kombinierbar ist.
In ersten Tests erwiesen sich die flexiblen Module als ausgesprochen robust: Nach 1.275 Biegezyklen über einen Stab mit lediglich 15 Millimetern Durchmesser behielten sie 100 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz.
Der nächste Schritt besteht nun darin, auch bei den flexiblen Modulen größere Flächen zu realisieren.
Für die Forschenden ist die aktuelle Entwicklung allerdings noch nicht das Ende der Fahnenstange. Nachdem der Fertigungsprozess nun kontrolliert werden kann, soll die Transparenz weiter erhöht werden.
„Jetzt, wo wir den Fertigungsprozess unter Kontrolle haben, sind wir optimistisch, dass wir die Transparenz noch deutlich steigern können, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen“, sagt Würfel.
Das Projekt „Durchblick-PV“ wird vom deutschen Bundeswirtschaftsministerium unterstützt. Beteiligt sind neben Fraunhofer ISE und der Universität Freiburg die Unternehmen Heraeus Epurio, ROWO Coating und ASCA.
Für die Photovoltaik könnten diese Module an Bedeutung gewinnen: Solarzellen, die nicht mehr als sichtbare technische Zusatzkomponente auf einem Gebäude montiert werden, sondern selbst Teil von Fenstern, Fassaden, Gewächshäusern oder Fahrzeugen werden. Entscheidend für den nächsten Entwicklungsschritt wird sein, ob sich die heute noch relativ kleinen Module tatsächlich kostengünstig auf industrielle Größenordnungen hochskalieren lassen.
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