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Solar Summit debattiert Strategien für organische Fotovoltaik

Run auf bessere PV-Wirkungsgrade geht weiter

28.11.2011, 00:00

Konferenzraum mit Teilnehmern
Solar Summit diskutiert Strategien der Fotovoltaik-Branche. © Grund-Ludwig

Mit den Perspektiven der Fotovoltaik und Trends in der Produktentwicklung beschäftigte sich der Solar Summit in Freiburg. Neue Modulvarianten wie die ersten Metal Wrap Through-Module, optimierte Oberflächenstrukturen und als Ausblick in die Zukunft organische Fotovoltaik waren die dominierenden Themen.

In der Fotovoltaik sind Rekorde gefragt. Bei Solarzellen tragen Sanyo mit einem Wirkungsgrad von 23,7 Prozent für HIT-Zellen und Sunpower mit Rückkontaktzellen und einem Wirkungsgrad von 24 Prozent derzeit die Lorbeerkränze. Große Hoffnung setzen Unternehmen und Forscher auf passivierte Rückkontaktzellen, "sie werden 2013 den Markt beherrschen", betonte Ralf Preu, Abteilungsleiter für PV-Produktion am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme auf dem Solar Summit 2011 in Freiburg.

Gut im Rennen liege unter anderen Solland Solar, so Preu. Das Unternehmen liefert die ersten Metal Wrap Through-Module an Referenzprojekte in Großbritannien und in den Niederlanden. Noch 2011 soll der kommerzielle Vertrieb starten. Solland hat dafür ein Metallisierungsmuster entwickelt, das Beschattung und Widerstandsverluste reduziert.

Harry Wirth, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE für den Bereich Fotovoltaikmodule, stellte weitere Optimierungsmöglichkeiten der Module vor. So arbeitet Day4energy mit einem besonderen Verfahren zur Beschichtung. Drähte und Busse sind dabei dünner und verschatten das fertige Modul deshalb weniger. Außerdem erfolgt die Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen. Das reduziert die Gefahr der Beschädigung von Zellen.

Eine weitere Methode der Moduloptimierung hat Schlenk patentiert. Das Unternehmen hat Drähte mit Einkerbungen entwickelt, die die Module verbinden. Licht, das auf diese Kerben trifft wird so abgelenkt, dass es von der Rückseite der Glasabdeckung der Module reflektiert und auf die Solarzellen gelenkt wird. Das reduziert die Verschattung und erhöht die Erträge.

Eine Frage, die die Branche beschäftigt ist auch die nach der Zukunft der Basistechnologien klassische Silizium-Module oder Dünnschicht. Da werde es in den nächsten 20 Jahren kein klares Entweder-Oder geben, betonte Winfried Hoffmann von der European Photovoltaic Industry Association: "Auch in 20 Jahren wird man noch alle Technologien sehen."

Einer der Hoffnungsträger der Zukunft sind organische Solarzellen auf Basis von Polymeren. "Bei Polymerfotovoltaik haben wir niedrige Kosten, aber nicht so hohe Effizienz. Das kann interessant sein für Consumer-Elektronik oder mobile Anwendungen. Weil man die Zellen bei Raumtemperatur herstellen kann, kann man mit flexiblen Substraten arbeiten, die nicht so hitzebeständig sind", sagt Elizabeth von Hauff, Expertin für organische Fotovoltaik und Professorin an der Universität Freiburg. Organische PV gilt auch  als geeignet für Anwendungen an der Fassade, weil sie mit diffusem Licht gut zurechtkommt. 

Im Augenblick werden hauptsächlich drei Strategien bei der Herstellung organischer Halbleiter verfolgt. Die erste nutzt die Tatsache, dass man organische Moleküle in Lösung bringen und dann drucken, sprühen oder per Lackschleudern auf eine Trägersubstanz aufbringen kann. Bei der zweiten werden die Moleküle im Vakuum verdampft. "Man hat eine große Kammer, einen kleinen Tiegel mit den organischen Molekülen, erhitzt dort den Tiegel und irgendwann fangen die Moleküle an zu fliegen und scheiden sich auf der Probe ab", beschreibt Moritz Riede vom Institut für Angewandte Photophysik in Dresden das Vorgehen.

Weitere Verfahren seien noch in der Pipeline, so Riede weiter: "Man kann organische Halbleiter auch in Filme pressen ohne Lösungsmittel, ohne Vakuum. Es gibt andere Herstellungsprozesse, die darauf hinarbeiten, das Ganze unter Raumdruck mit Trägergas zu beschichten", so Riede.

Die dritte Gruppe der organischen Fotovoltaik sind Farbstoffsolarzellen. Deren Prinzip ist, dass man ein farbstoffempfindliches Molekül an die Oberfläche von Titandioxid anlagert und Lichtabsorption und Ladungsträgertransport voneinander trennt.

Erste Produkte gibt es mittlerweile. Einen Schritt, der aus ihrer Sicht einen Durchbruch für Farbstoffsolarzellen bedeutet, haben Tata Steel und Dyesol 2011 gemeldet. Sie haben ein farbstoffsensibilisiertes Fotovoltaik-Element mit einer Länge von über 3 Metern und einer Fläche von einem Quadratmeter produziert. Das belege das Potential für die Produktion von Stahlbändern, auf die eine farbstoffsensibilisierte, fotovoltaische Beschichtung aufgedruckt wurde.

Erste Produkte hat auch Konarka auf den Markt gebracht. Das Unternehmen arbeitet seit September 2011 zudem in einer Entwicklungspartnerschaft mit Thyssenkrupp zusammen und will das Segment der gebäudeintegrierten Fotovoltaik mit ähnlichen Lösungen erschließen wie Dyesol und Tata. Die amerikanische Solarmer und Heliatek aus Deutschland zählen zu den Pionieren und stehen ebenfalls in den Startlöchern. "Bis zur wirklichen Marktreife in der Breite wird es aber noch drei bis vier Jahre dauern", schätzt Uli Würfel, Experte für organische PV am Fraunhofer ISE.

Die Wirkungsgrade sind noch nicht so hoch, dass es spannend ist für den Markt. "Das hat sich aber in den letzten Monaten stark verändert, jetzt ist man bei den Zellen fast bei zehn Prozent", sagt von Hauff. Aufgrund der tendentiell niedrigeren Produktionskosten nimmt man eine geringere Effizienz als bei siliziumbasierter PV in Kauf. Als Grenze zur Marktfähigkeit gelten die von von Hauff genannten zehn Prozent.

"Wir haben bei internen Messungen eine Effizienz von neun Prozent erreicht und streben die Zehn-Prozent-Marke für 2012 an", berichtete Martin Pfeiffer, Chief Technology Officer bei Heliatek auf dem Solar Summit 2011. Als kritisch gilt auch noch die Langlebigkeit. In den ersten 6.000 Stunden habe man keine Degradation festgestellt, sagte Pfeiffer. Das entspräche einer Lebensdauer von mindestens sechs Jahren. Für gebäudeintegrierte Lösungen wäre es aber noch zu gering.

Parallel zur Marktreife erster Produkte ist der Forschungsbedarf aber nach wie vor hoch. "Für mich am spannendsten ist herauszufinden, wie freie Ladungsträger in den organischen Solarzellen generiert werden", betont Riede. Per se ist ein organisches Material für Solarzellen nicht besonders gut geeignet. Die Lichtabsorption führt zu stark gebundenen Elektronenlochpaaren. Um Elektrizität zu entnehmen ist es notwendig, diese Elektronenlochpaare zu trennen. Dazu mischt man in einer organischen Solarzelle zwei Materialien. "Da gibt es immer noch Fragen, wie groß die Unterschiede zwischen diesen Materialien sein müssen, damit ich eine effiziente Trennung dieser Elektronenlochpaare erreiche", nennt Riede ein Thema, an dem noch gearbeitet wird. Ein weiteres Forschungsfeld ist es, die Beziehungen zwischen den Strukturen der Polymere und deren Eigenschaften aufzuklären.

Ziel sei es, genauer zu verstehen, welche Konsequenzen bestimmte Veränderungen an den Basismaterialien haben. Dabei sei man aber über das Stadium des Trial and Error weit hinaus, betont Riede: "Chemiker haben Baukästen von molekularen Bauteilen entwickelt, die man auf verschiedene Arten und Weisen kombinieren kann, um sich systematisch an die weiteren offenen Punkte heranzuarbeiten."

von unserer Redakteurin Pia Grund-Ludwig

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