Organische Solarzellen für den Massenmarkt optimieren
Ihr Potential ist immens: Organische Solarzellen sind leicht, sie sind mechanisch flexibel und können recht günstig in einem Druckverfahren hergestellt werden. Allerdings dümpelt ihr Wirkungsgrad im Wahrnehmungskeller vor sich hin. Ein Forschungsverbund will das jetzt verändern und die organischen Solarzellen in den Massenmarkt bringen.
Leicht, mechanisch flexibel und für viele Anwendungen geeignet. „Plastik-Solarzellen“ haben verschiedene Vorteile. Jetzt gilt es, sie wettbewerbsfähig zu machen. Genau das ist die Aufgabe des Projektes MatHero.
Foto: KIT/Alexander Colsmann
Organische Solarzellen haben wirklich eine ganze Reihe von Vorteilen: Sie sind leicht, mechanisch flexibel und sie lassen sich in verschiedenen Farben fertigen. Das eröffnet den organischen Solarzellen vielfältige Anwendungs- und Gestaltungsfelder. Dieser Typus von Solarzellen besteht nicht aus dem bruchanfälligem anorganischen Halbleitermaterial Silizium, sondern aus Materialien aus dem Baukasten der organischen Chemie, zum Beispiel aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, sprich aus Kunststoffen.
Es ist somit Plastik, der als Rohstoff für diesen Typus von Solarzellen dient. Und Plastik lässt sich relativ beliebig formen. Das ist bekannt von Spielzeugen, von Folien, von Behältern oder von Schläuchen. Damit können Solarzellen aus Plastik auch fast jede beliebige Form annehmen. Ein Riesenvorteil, der die Solarzellen aus Silizium recht alt aussehen lässt. Der Nachteil dieser organischen Solarzellen auf Kohlenstoffbasis: Sie sind wenig effizient, sie leben nicht lange genug und sie sind zu teuer in der Herstellung.
MatHero will organische Solarzellen massenmarkttauglich machen
Noch: Denn das Projektkonsortium „MatHero – New materials for highly efficient and reliable organic solar cells” ist jetzt angetreten, um all diese Nachteile endlich zu beseitigen. Übersetzt geht es also bei MatHero darum, neue Materialien für hoch effiziente und zuverlässige organische Solarzellen zu finden. Das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierte neue Projekt zielt darauf, den Wirkungsgrad organischer Solarzellen zu verbessern, die Produktionskosten zu senken, die Lebensdauer zu erhöhen. Denn es gilt, die organische Photovoltaik endlich und dauerhaft wettbewerbsfähig zu machen. Die Europäische Union fördert dieses ambitionierte Projekt in seinem 7. Rahmenprogramm mit 3,5 Millionen Euro.
Einsatz chlorfreier Lösungsmittel senkt die Kosten
Umweltschonende Prozesse zur Materialsynthese, Beschichtung und Druck spielen eine Schlüsselrolle im Projekt. Im Rahmen von MatHero sollen die organischen Solarzellen aus chlorfreien Lösungsmitteln hergestellt werden. „Der Einsatz umweltverträglicher Lösungsmittel ist entscheidend für die Kostensenkung, denn dadurch erübrigen sich aufwendige Sicherheitsmaßnahmen im industriellen Umfeld“, erklärt der Diplom-Physiker Dr. Alexander Colsmann vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. Colsmann koordiniert das Projekt MatHero gemeinsam mit Christian Sprau.
MatHero läuft drei Jahre lang
Zum MatHero-Projektkonsortium gehören als Forschungseinrichtungen neben dem KIT das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Potsdam, dass Commissariat á l’Énergie Atomique et aux Ènergies Alternatives (CEA) in Frankreich and Acondicionamiento Tarrasense (LEITAT) in Spanien. Als Industriepartner sind Advent Technologies SA in Griechenland, Arkema in Frankreich, Eight19 in England involviert. MatHero startete zum Jahresbeginn und ist auf drei Jahre angelegt.
Die Herausforderungen für die MatHero-Projektpartner ist groß. So gilt es, die Effizienz der Energiewandlung der organischen Solarzellen zu verbessern. Im Klartext heißt das, den Wirkungsgrad dieser Zellen auf deutlich über zehn Prozent zu steigern und die Kosten der Materialsynthese zu senken. Zudem soll die Lebensdauer der Materialien und Module auf über zehn Jahre erhöht werden. Dann erst haben die flexiblen Solarzellen eine echte Chance auf dem Massenmarkt, damit sie ihren Anteil zur Energiewende beisteuern können.
Es geht um die gesamte Wertschöpfungskette
Im MatHero-Projekt decken die beteiligten Partner daher die gesamte Wertschöpfungskette organischer Solarzellen ab. Das beginnt beim Design und der Synthese der einzelnen Polymere, erstreckt sich über den schichtspezifischen Aufbau der Solarzellen und die Herstellung und Charakterisierung der Module bis hin zur Bewertung der Langzeit-Stabilität. Im Anschluss an diesen ersten Evaluierungsprozess soll ein umweltfreundlich gedrucktes organisches Solarmodul für netzunabhängige Anwendungen entstehen.
Prof. Dr. Ching W. Tang.
Quelle: Eduard Rhein Stiftung
Es ist ein interdisziplinäres Team aus Physikern, Chemikern, Materialwissenschaftlern und Ingenieuren, die im MatHero-Projekt gemeinsam die wissenschaftlichen Grundlagen und auch die Fragen der Produktentwicklung erforschen. Die Wissenschaftler im koordinierenden KIT entwickeln dabei eine neue Solarzellen-Architektur und erforschen die Möglichkeit, diese Architektur, aber auch die im Rahmen des Projekts entwickelten Verfahren auf industrielle Maßstäbe hoch zu skalieren.
Hohe Erwartungen an das Forschungsprojekt
Die Erwartungen an das Projekt MatHero sind hoch. Denn organische Solarzellen eröffnen, wenn sie denn effizient und langlebig sind, viele neue Möglichkeiten zum Beispiel für die Gestaltung in der Architektur. Diese organischen Solarzellen können in Fassaden integriert werden, sie eignen sich für Überkopfverglasungen und für Fenster. Wenn es denn gelingt, diese organischen Solarzellen im Projekt MatHero entsprechend zu optimieren, dann können sie in material- und kostensparenden Druckprozessen hergestellt werden und der Durchbruch für eine kostengünstige Produktion in hohen Stückzahlen wäre geschafft.
Erste organische Solarzelle ist fast 30 Jahre alt
Erfunden hat diese organischen Solarzellen der im Jahre 1947 in Hongkong geborene chinesisch-amerikanische Chemiker Ching W. Tang bereits im Jahre 1985. Ching W. Tang war es auch, der die organischen Licht-Emittierenden-Dioden, kurz OLEDs, erfunden hat. Beide Erfindungen haben enormes Potential, weil sie flexible, dünne und kostengünstig herzustellende Folien ermöglichen. Ein Potential, welches bisher weder bei den OLED’s, noch bei den organischen Solarzellen erschlossen worden ist. MatHero, der Held der neuen Materialien für diese Zellen, hat das Zeug, das endlich zu ändern.
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