Organisches Material macht Solarzellen günstiger

Der Ausbau von Photovoltaikanlagen zur Erzeugung grünen Stroms ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Die meisten Solarzellen, die heute zum Einsatz kommen, verwenden für die Stromerzeugung das Halbleitermaterial Silizium. Es gibt aber auch andere Halbleiter, aus denen sich Solarzellen herstellen lassen.

Photovoltaikzellen aus organischen Halbleiterverbindungen gelten als vielversprechend, weil sie leicht und biegsam sind. Ein großes Problem dieser Technologie ist allerdings die geringe Haltbarkeit dieser Zellen. Ein internationales Forschungsnetzwerk unter Leitung der TU Graz möchte die Stabilität dieser Zellen erhöhen.

Organische Halbleiter haben geringere Wirkungsgrade

Die Entwicklung von Solarzellen aus Silizium reicht Jahrzehnte zurück, erstmalige Anwendungen fanden sie in den 1950er-Jahren. Seitdem wurden Solarzellen stetig weiterentwickelt - die Stromausbeute wurde erhöht und die Produktion vergünstigt. Organische Solarzellen sind hingegen relativ neu, erreichen im Labor jedoch bereits Wirkungsgrade von bis zu 19 Prozent. Das bedeutet, dass 19 Prozent der Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Im Handel erhältliche Solarzellen aus Silizium erreichen mehr als 20 Prozent, unter Laborbedingungen sogar mehr als 30 Prozent.

➤ Mehr lesen: Neuer Effizienz-Rekord für organische Solarzellen

Bei hohen Temperaturen haben organische Solarzellen allerdings die Nase vorn. Während der Wirkungsgrad herkömmliche Photovoltaikanlagen immer mehr abnimmt, je heißer es wird, nimmt der Wirkungsgrad bei organischen Solarzellen mit steigenden Temperaturen sogar zu.

Verwitterung als Hauptproblem

Organische Solarzellen verwittern aber recht schnell, weshalb sie kommerziell noch kaum eine Rolle spielen. Projektleiter Gregor Trimmel von der Technischen Universität Graz sieht aber durchaus Potenzial für die Technologie. “Das Material kann sehr, sehr dünn aufgebracht werden, die Schichten sind nur 100 bis 200 Nanometer dick”, erklärt er gegenüber der futurezone. Das ist in etwa die Größe eines Coronavirus. Zudem sind die Solarzellen flexibel. “Man könnte damit Folien beschichten, Planen für Lkw oder Verschattungselemente wie Markisen”, sagt Trimmel. Im Gegensatz zu Silizium-Zellen lassen sich die organischen sogar aufrollen. In Zukunft kann sich der Experte aber auch organische Solarzellen für Hausdächer und Fassaden vorstellen.

Dafür müssen die Zellen allerdings mehr als 10 Jahre funktionstüchtig bleiben, schätzt der Experte. Die Lebensdauer von herkömmlichen Solarzellen von mehr als 30 Jahren müssten sie überhaupt nicht erreichen. “Prinzipiell können organische Solarzellen deutlich günstiger hergestellt werden, weil auch deutlich weniger Material benötigt wird”, so Trimmel.

Finanziell könne es sich daher lohnen, die Folien alle 10 Jahre auszutauschen, anstatt sich teurere Siliziumzellen anzuschaffen. Zudem sei die Herstellung der organischen Halbleitermaterialien - auch wenn sie aus Erdöl synthetisiert werden - weniger energieintensiv als die Herstellung von Siliziumhalbleitern. Das wirke sich laut Trimmel positiv auf die CO2-Bilanz auf.

10.000e verschiedenen Verbindungen

Von der kommerziellen Produktion ist man bislang allerdings weit entfernt. Der organische Halbleiter selbst wird nämlich durch Licht und insbesondere bei Kontakt mit Sauerstoff abgebaut. Ein weiterer Schwachpunkt sind die Kontakte, die gebraucht werden, um den Strom abzuleiten. Diese können ebenfalls korrodieren. All das wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad aus. “Es gibt 10.000e verschiedenen Verbindungen, Schichtdicken und Kombinationen mit Elektroden”, erklärt Trimmel. “Manche Verbindungen werden sofort kaputt, manche brauchen länger.”

In den kommenden 4 Jahren werden im Forschungsnetzwerk "OPVStability" daher Experimente im Labor und im Freien durchgeführt, um diese Zersetzungsprozesse besser zu verstehen. Zudem werden durch maschinelles Lernen große Datenmengen analysiert, um die langlebigsten Kombinationen zu finden. In Zukunft hält es Trimmel für gut möglich, dass sowohl organische als auch siliziumbasierte Solarzellen genutzt werden. “Organische Zellen haben das Potenzial, die bestehende Technologie zu ergänzen.”