Organische Solarzelle

Ein kommerziell erhältliches flexibles Modul einer polymeren organischen Solarzelle.

Eine organische Solarzelle ist eine Solarzelle, die aus Werkstoffen der organischen Chemie besteht, d. h. aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Der Wirkungsgrad, mit dem Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt mit 10,6 % (Stand April 2011)^[1] noch weit unter dem von Solarzellen aus anorganischem Halbleitermaterial. Organische Solarzellen bzw. Plastiksolarzellen, wie sie auch genannt werden, sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema (siehe Vor- und Nachteile).

Material

Aufbau einer Einschicht-Solarzelle

Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer speziellen Elektronenstruktur, dem konjugierten π-Elektronensystem, das den betreffenden Materialien die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halbleiter verleiht. Typische Vertreter organischer Halbleiter sind konjugierte Polymere und Moleküle, wobei auch speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet werden. Die ersten Kunststoffsolarzellen, die aus konjugierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen (Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden, waren Zweischichten-Solarzellen. Diese Zellen bestanden aus einer dünnen Schicht des konjugierten Polymers, auf die eine weitere dünne Schicht von Fullerenen aufgebracht wurde. Die photoaktive Substanz in diesen Solarzellen sind die konjugierten Kohlenwasserstoffe, die unter Lichteinstrahlung in angeregte Zustände übergehen können. Diese Zustände können ihre Anregungsenergie in Form eines Elektrons an ein Fulleren abgeben. Da die vollständig getrennten Ladungen metastabil sind, können diese Ladungen über metallische Elektroden gesammelt und abgeführt werden. Aus technologischer Sicht stellen konjugierte Polymere und funktionalisierte Moleküle auf Grund der Erzeugbarkeit von Schichten aus flüssiger Phase attraktive Grundmaterialien für die kostengünstige Massenproduktion flexibler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Struktur dar. Molekulare Halbleiter hingegen werden üblicherweise in Vakuum-Aufdampfprozessen (vgl. thermisches Verdampfen bzw. allgemein physikalische Gasphasenabscheidung) zu wohldefinierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen die Herstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschichten und somit komplexerer Zellentypen (z. B. Tandemzellen) zu.

Funktionsprinzip

Schnitt durch eine Mehrschichten-Solarzelle

Die effizienten Vertreter organischer Solarzellen basieren auf der Verwendung eines sogenannten Donator-Akzeptor-Systems, d. h. auf der geschickten Kombination verschiedener Halbleiter, welche nach Absorption von Licht einen extrem schnellen Transfer (<< 1 ps) der entstandenen Ladungsträger zu Donator und Akzeptor zeigen (z. B. Dünnschichten aus konjugierten Polymeren und Fullerenen). Solche D-A Paare unterscheiden sich durch ihre relativ zueinander verschobenen Lagen der elektrochemischen Potentiale: HOMO (highest occupied molecular orbital) und LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Diese Orbitale sind in gewisser Weise vergleichbar mit dem Band-Schema anorganischer Halbleiter. Nach der Absorption von Photonen, deren Energie den Abstand zwischen HOMO und LUMO überschreitet, entstehen sogenannte Exzitonen (elektrostatisch gebundene Paare positiver und negativer Ladungen), die u. a. durch das lokale elektrische Feld an einer Donator-Akzeptor-Grenzfläche für einige Zeit getrennt werden. Nach der Trennung erfolgt der Ladungstransport in den zwei Halbleitern selektiv. Die Ladungsträger bewegen sich durch „Hüpfen“ durch den Halbleiter; dies erzwungen durch ihre Bewegung im ungeordnet vorliegenden (amorphen oder mikrokristallinen) Umfeld mit einer Vielzahl von Energiebarrieren. Die Ladungen treffen auf viele Molekül- und Phasengrenzen und damit auf substantielle und strukturelle Defekte, was die Rekombination und somit den Verlust der Zweierladungen bedeutet.

In einer organischen Solarzelle besteht die (aus flüssiger Phase und/oder durch Vakuumverfahren aufgebrachte) Absorberschicht in der Regel aus einem Volumengemisch von donator- und akzeptorartigen organischen Halbleitern. Diese Schicht wird auf eine lichtdurchlässige, leitfähige Elektrode (mit einem transparenten Leiter beschichtetes Floatglas) aufgebracht. Die transparente Elektrode erlaubt möglichst viel Licht einzukoppeln, um Ausbeute an absorbierten Photonen in der eigentlichen aktiven Schicht zu maximieren. Gleichzeitig sollte sie einen geringen elektrischen Flächenwiderstand aufweisen. Die wichtigste Eigenschaft jedoch ist ihre Austrittsarbeit, die bestimmt, mit welchem der beiden Halbleiter sie bevorzugt Ladungsträger austauscht (negative oder positive, entsprechend Elektronen oder Elektronfehlstellen). Auf die andere Seite der Absorberschicht wird eine Metallelektrode aufgedampft. Sie sammelt die Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens von jenen, die über die transparente Elektrode fließen.

Die Rückreflexion des nichtabsorbierten Lichtes von der Metallelektrode erhöht die Ausbeute, weil das reflektierte Licht beim erneuten Durchtritt durch die Absorberschicht eine weitere Chance auf Absorption erhält. Auch kann die Dicke der Absorberschicht im Resonator zwischen Glaselektrode und Metallelektrode auf Maximalabsorption einer gewissen Wellenlänge optimiert werden; jedoch ist der Effekt im Vergleich zu elektrischen Überlegungen gering, siehe unten.

Die Klemmenspannung einer solchen Solarzelle wird wesentlich von den unterschiedlichen Austrittsarbeiten der beiden Elektroden mitbestimmt. Um einen hohen Photostrom zu erzielen, sollten die in der Absorberschicht verwendeten organischen Halbleiter möglichst hohe Beweglichkeiten für Ladungsträger beiderlei Vorzeichens aufweisen, damit sie nach Absorption möglichst rasch räumlich getrennt werden können und, je nach Vorzeichen, zu ihrer Elektrode abfließen. Da die aktuell eingesetzten organischen Halbleiter geringe Ladungsträgerbeweglichkeiten von ca. 0,01 bis 0,001 cm²/Vs besitzen, liegt die optimale Absorberschichtdicke im Bereich von nur einigen 100 nm.

Vor- und Nachteile

Die potenziellen Vorteile einer Solarzelle auf Kunststoffbasis gegenüber herkömmlichen Siliziumsolarzellen sind:

• Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien und niedrigerer Materialkosten
• Hohe Stromausbeuten durch Dünnschicht-Großflächentechnologien für Kunststoffe
• Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung (mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)
• Energieeffiziente Herstellung möglich, keine Hochtemperaturverfahren nötig

Nachteile:

• Bisher wird nur ein relativ geringer Wirkungsgrad erreicht (10,6 % bei kleinen Labormustern^[1])
• Die niedrigen Wirkungsgrade bedingen einen höheren Flächenbedarf, was mit entsprechend hohen Installationskosten verbunden ist.
• Die Langzeitstabilität der organischen Verbindungen ist im Sonnenlicht noch ungenügend (Zersetzung).
• Der Kostenvorteil ist stark materialabhängig und die derzeit genutzten Materialien sind in der Herstellung teuer.

Aussichten

Der aktuelle Wirkungsgrad organischer Solarzellen liegt im Labor unterhalb dessen anderer Dünnschichttechnologien. Zum kommerziellen Durchbruch müssen sowohl die Effizienz als auch die Langzeitstabilität, insbesondere auf flexiblen Trägern und großen Flächen, noch deutlich gesteigert werden. Das technologische Potenzial der organischen Photovoltaik, als kostengünstige Energiequelle Einzug in die mobile Stromversorgung zu halten, wird gestützt durch die angestrebte Massenfertigung auf Basis etablierter Druckverfahren. In einem solchen Szenario käme der organischen Photovoltaik besondere Bedeutung in bisher unerschlossenen Anwendungsbereichen bei gleichzeitig niedrigen Investitionen zu. Die Firma Konarka Technologies GmbH, Nürnberg, hat 2009 erste organische Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt gebracht.^[2] Der Wirkungsgrad ist kleiner als 3 %. Ein Modul mit 0,45 m² bringt bei vollem Sonnenschein eine Leistung von 7,8 Watt.^[3]

Literatur

• N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, F. Wudl: Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene. In: Science. 258, Nr. 5087, 1993, S. 1474–1476, doi:10.1126/science.258.5087.1474.
• N. S. Sariciftci, A. J. Heeger: Photophysics, charge separation and device applications of conjugated polymer/fullerene composites. In: H. S. Nalwa (ed.): Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers. Volume 1, Charge-Transfer Salts, Fullerenes and Photoconductors, Wiley, Chichester/New York, 1997,ISBN 0471965936, S. 413–455.
• Christoph J. Brabec, N. Serdar Sariciftci, Jan Kees Hummelen: Plastic Solar Cells. In: Advanced Functional Materials. 11, Nr. 1, 2001, S. 15–26.
• Christoph Brabec, Vladimir Dyakonov, Jürgen Parisi and Niyazi Serdar Sariciftci (eds.): Organic Photovoltaics. Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-00405-X.
• H. Hoppe, N.S. Sariciftci: Organic solar cells: an overview. In: J. Mater. Res. 19, Nr. 7, 2004, S. 1924–1945 (PDF, abgerufen am 7. März 2010).
• Sam-Shajing Sun, Niyazi Serdar Sariciftci (eds.): Organic Photovoltaics: Mechanisms, Materials, and Devices (Optical Engineering). CRC Press, Boca Raton 2005 ISBN 0-8247-5963-X.
• H. Hoppe, N. S. Sariciftci: Polymer Solar Cells. In: S. R. Marder, K.-S. Lee (eds.): Photoresponsive Polymers II. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-69452-6, S. 1–86.

Weblinks

• www.quantsol.unibe.ch
• LIOS - Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich
• NREL reports
• Stromleitung in Polymeren - Geschichte und Funktionsprinzip (engl.)
• Forschung an Polymer-Solarzellen an der TU Ilmenau (pdf; 1,69 MB)
• Forschung zu organischen Solarzellen am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) an der TU Dresden (Moleküle)
• Experimentelle Physik VI, Univ. Würzburg, Grundlagenforschung an organischen Halbleitern, Elementarprozesse der organischen Photovoltaik, Materialwissenschaften, Experimentelle Physik VI, Physikalisches Institut der Univ. Würzburg (Polymere, Moleküle, Hybridansätze)
• ZAE Bayern, Angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik, Abt. 3: Funktionsmaterialien der Energietechnik, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V., Würzburg (ZAE Bayern) (Polymere, Moleküle, Nanoteilchen, Hybridansätze, Energiespeicher)
• Energie- und Halbleiterforschung, Univ. Oldenburg, grundlagenbezogene und angewandte Forschung/ Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik und der anorganischen Dünnschichtphotovoltaik, Materialwissenschaften, Energie- und Halbleiterforschung, Fakultät für Naturwissenschaften an der Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg (Polymere, Moleküle, Nanoteilchen, Hybridansätze)
• Leading Experts In Organic Solar Cells Say The Field Is Being Damaged By Questionable Reports

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Xiangnan Dang, Hyunjung Yi, Moon-Ho Ham, Jifa Qi, Dong Soo Yun, Rebecca Ladewski, Michael S. Strano, Paula T. Hammond, Angela M. Belcher: Virus-templated self-assembled single-walled carbon nanotubes for highly efficient electron collection in photovoltaic devices. In: Nature Nanotechnologie. 6, Nr. 6, 2011, S. 377–384, doi:10.1038/nnano.2011.50.
2. ↑ Konarka verkündet Verfügbarkeit von Solarzellen für portable Ladegeräte auf der European Photovoltaic Solar Energy Conference. Konarke (Pressemitteilung).
3. ↑ Konarka Power Plastic® 620 Solar Charger - Product Specifications. Datenblatt der Firma Konarka, abgerufen am 27. Mai 2010