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Freiburger Forschende haben ein organisches Photovoltaik-Modul vorgestellt, das Transparenz und Stromerzeugung kombiniert. Es lässt 43,2 % des sichtbaren Lichts durch und erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 %. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Joule. Das Modul wurde ausschließlich mit Verfahren hergestellt, die in der industriellen Fertigung bereits etabliert sind.
Transparenz gegen Effizienz: Der Grundkonflikt
Jede Solarzelle arbeitet nach demselben Prinzip. Ein Halbleitermaterial absorbiert Licht und setzt dabei Elektronen frei, die als elektrischer Strom abfließen. Bei durchsichtigen Modulen entsteht ein physikalischer Zielkonflikt: Licht, das die Scheibe passiert, steht dem Absorber nicht mehr zur Verfügung.
Forschende nutzen daher die Lichtnutzungseffizienz, kurz LUE. Sie errechnet sich aus dem Produkt von Wirkungsgrad und Transparenz. Bei kleinen Laborzellen auf Glas wurden laut der Joule-Studie LUE-Werte von bis zu 6 % erreicht. Auf Modulgröße sanken diese Werte bislang deutlich. Das Freiburger Modul kommt nach Angaben des Fraunhofer ISE auf bis zu 4 % bei einer Fläche von 14,5 mal 14,5 Zentimetern.
Herstellungsverfahren als eigentlicher Durchbruch
Organische Solarzellen werden im Labor üblicherweise per Schleuderbeschichtung gefertigt. Ein Tropfen Lösung landet auf einem rotierenden Substrat und verteilt sich gleichmäßig. Dieses Verfahren lässt sich auf Fensterscheibengröße nicht skalieren.
Das Freiburger Team setzte auf zwei andere Methoden. Die Rückelektrode wurde per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht. Dabei werden Atome eines Targets durch Ionenbeschuss herausgelöst und schlagen sich als dünner Film auf dem Substrat nieder. Die Rückelektrode reflektiert nahes Infrarotlicht zurück in die Zelle und erhöht so die Ausbeute.
Slot-Die-Beschichtung als Schlüsselverfahren
Alle weiteren Schichten entstanden per Slot-Die-Beschichtung. Eine Schlitzdüse zieht die flüssige Lösung als gleichmäßigen Film über das Substrat. Das Verfahren liefert reproduzierbare Schichtdicken und ist mit der Rolle-zu-Rolle-Fertigung kompatibel, was es für industrielle Anwendungen interessant macht.
So entstanden die organische Absorberschicht und eine metallfreie Deckelektrode aus dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS. Die Formulierung dafür lieferte Heraeus Epurio. Per Laserverschaltung verband das Team mehr als 100 einzelne Zellen zu einem Gesamtmodul. Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE, bezeichnete die verlustfreie Übertragung aller Schichten auf das Slot-Die-Verfahren als wesentlichen Fortschritt gegenüber bisherigen Ansätzen.
Biegsame Module als nächster Schritt
Weil das Slot-Die-Verfahren auch auf Folie funktioniert, fertigte das Team erste flexible Module. Nach 1.275 Biegezyklen über einen Stab mit 15 Millimetern Durchmesser behielten die Module laut Fraunhofer ISE 100 % ihrer ursprünglichen Effizienz. Die Folien lieferte ROWO Coating. Größere flexible Flächen sind der genannte nächste Entwicklungsschritt.
Wo solche Module zuerst zum Einsatz kommen könnten
Für den Einsatz als Fensterglas in Gebäuden zielt das Fraunhofer ISE auf Transparenzwerte deutlich über 43 %. Der aktuelle Stand eignet sich nach Einschätzung des Instituts eher für Anwendungen, bei denen geringere Lichtdurchlässigkeit akzeptabel ist. Autodächer mit Glasdach oder Überdachungen wurden intern als frühe Einsatzfelder genannt.
Für Produktionsleiter und Einkäufer in der Glas- und Fassadenbranche bedeutet das: Die Technologie ist noch nicht produktionsreif für den Fensterbau. Das Verfahren ist aber so ausgelegt, dass der Weg in die Serienfertigung kürzer ist als bei früheren organischen PV-Ansätzen. Anlagenbauer, die in Rolle-zu-Rolle-Beschichtung oder Sputtertechnik investieren, sollten den Fortschritt dieser Entwicklungslinie im Blick behalten.
Fazit
Das Freiburger Modul ist kein fertiges Produkt, aber ein messbarer Schritt in Richtung industrielle Umsetzbarkeit. Der Wirkungsgrad von 9,26 % bei 43 % Transparenz ist für organische Photovoltaik auf Modulgröße ein belegbarer Fortschritt. Wichtiger für die Praxis ist, dass die Fertigung auf Verfahren basiert, die Industrien bereits beherrschen. Ob daraus in absehbarer Zeit ein marktfähiges Produkt wird, hängt von weiterer Skalierung und Langzeittests ab.
