Die semitransparenten organischen PV-Module messen 14,5 mal 14,5 Zentimeter und haben eine Fläche von 210,25 Quadratzentimetern. Sie bestehen jeweils aus mehr als 100 Solarzellen, die das Forschungsteam mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltete. Für die Fertigung kombinierten die Beteiligten Sputtern und Slot-Die-Beschichtung. Beide Verfahren lassen sich nach Angaben des Fraunhofer ISE auf größere Modulflächen übertragen.

Zellschichten per Slot-Die-Beschichtung aufgetragen

Die Rückelektrode wird zunächst per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht. Sie lässt sichtbares Licht möglichst gut hindurch, reflektiert jedoch Strahlung im nahen Infrarotbereich zurück in die Absorberschicht. Dort kann sie absorbiert und in Strom umgewandelt werden. Sie reflektiert Licht im nahen Infrarotbereich. Darüber folgen eine Absorberschicht aus organischen Halbleitern und eine metallfreie Top-Elektrode aus dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS. Diese weiteren Schichten brachte das Forschungsteam per Slot-Die-Beschichtung auf.

Bestimmte organische Halbleiter können infrarote Strahlung stark absorbieren und gleichzeitig sichtbares Licht nahezu ungehindert passieren lassen. Dadurch können die Module Strom erzeugen und dennoch eine hohe sichtbare Lichtdurchlässigkeit sowie ein homogenes Erscheinungsbild erreichen.

Nach Angaben von Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE, gelang dies praktisch ohne Effizienzverluste. Heraeus Epurio entwickelte für die Top-Elektrode eine neue PEDOT:PSS-Formulierung, die zu einer höheren Transparenz der Module beitragen soll.

Bei einer mittleren sichtbaren Lichtdurchlässigkeit von 43,2 Prozent erreichten die Module eine Lichtnutzungseffizienz von bis zu 4,0 Prozent. Die Kennzahl ergibt sich aus dem Produkt von Wirkungsgrad und mittlerer sichtbarer Transmission und beschreibt damit den Zielkonflikt zwischen Stromertrag und Transparenz. Die Forschungsergebnisse erschienen Anfang August im Fachjournal Joule.

Die Funktionsschichten organischer Solarzellen sind nach Angaben des Fraunhofer ISE bis zu etwa 1.000-mal dünner als bei Siliziumsolarzellen. Der geringe Materialeinsatz und die Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen können den Ressourcen- und Energiebedarf der Herstellung reduzieren. Flexibilität und Gewicht des fertigen Moduls hängen jedoch auch von den verwendeten Träger- und Verkapselungsmaterialien ab.

Flexible Module bestehen rund 1.275 Biegezyklen

Die Slot-Die-Beschichtung ist mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel und damit auch für die Herstellung von PV-Modulen auf Folie geeignet. Im Projekt fertigte das Team bereits flexible organische PV-Module auf Folien von ROWO Coating. Diese behielten nach rund 1.275 Biegezyklen über einen Stab mit 15 Millimetern Durchmesser ihre ursprüngliche Effizienz. Als nächsten Entwicklungsschritt nennt das Fraunhofer ISE größere Modulflächen, auch bei der flexiblen Variante.

Eine hohe Lichtdurchlässigkeit kann bei Photovoltaikanwendungen an Gebäuden, Fahrzeugen und in der Landwirtschaft eine wichtige Voraussetzung sein. Semitransparente organische Photovoltaik kommt deshalb insbesondere für bauwerkintegrierte Photovoltaik und Agri-PV-Anwendungen infrage. Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit von deutlich mehr als 50 Prozent könnten nach Einschätzung der Forschenden künftig Fensterglas in Gebäudefassaden oder Gewächshäusern ergänzen oder teilweise ersetzen. Für Autodächer und getönte Fassadenelemente kann dagegen eine geringere Transparenz ausreichend oder erwünscht sein.

Größere Modulflächen als nächster Entwicklungsschritt

Die Arbeiten entstanden im Forschungsprojekt „Durchblick-PV“, das vom damaligen Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde. Neben dem Fraunhofer ISE und der Universität Freiburg waren Heraeus Epurio, ROWO Coating und ASCA beteiligt. Die Ergebnisse zeigen einen auf größere Flächen übertragbaren Fertigungsansatz, sind jedoch noch kein Nachweis für eine industrielle Serienfertigung.

Quelle: Fraunhofer ISE | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH