{"id":63152,"date":"2020-09-25T09:07:36","date_gmt":"2020-09-25T07:07:36","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=63152"},"modified":"2020-10-04T14:23:39","modified_gmt":"2020-10-04T12:23:39","slug":"wirkungsgradrekord-bei-organischer-photovoltaik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/wirkungsgradrekord-bei-organischer-photovoltaik\/","title":{"rendered":"Wirkungsgradrekord bei organischer Photovoltaik"},"content":{"rendered":"\n
Die Forschung im Bereich der Organischen Photovoltaik arbeitet mit Nachdruck daran, die Wirkungsgrade weiter zu erh\u00f6hen. <\/p>\n\n\n\n
Neue Materialien aus der synthetischen organischen Chemie haben in den letzten Jahren deutliche Steigerungen des Wirkungsgrads erm\u00f6glicht. Eine der Herausforderungen ist dabei, die oftmals auf sehr kleinen Laborzellen erzielten Werte auf gr\u00f6\u00dfere Fl\u00e4chen zu \u00fcbertragen. Das Fraunhofer ISE verzeichnet jetzt zusammen mit dem Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Universit\u00e4t Freiburg mit 14,9% einen Rekordwert f\u00fcr organische Solarzellen mit mindestens 1 cm2 Fl\u00e4che \u2013 ein wichtiger Schritt f\u00fcr die Weiterentwicklung dieser kosteng\u00fcnstigen Technologie hin zu einer breiten Anwendungsreife.<\/p>\n\n\n\n
Das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Solare Energiesysteme ISE arbeitet seit vielen Jahren in enger Kooperation mit dem Materialforschungszentrum FMF der Universit\u00e4t Freiburg an organischen Solarzellen und -modulen. Das Ziel ist, zusammen mit Partnern aus der Industrie diese Technologie weiterzuentwickeln und kosteng\u00fcnstig verf\u00fcgbar zu machen. Deshalb liegt ein Fokus der Forschungsarbeiten darauf, kosteng\u00fcnstige und umweltfreundliche Materialien einzusetzen und ebensolche Prozesse f\u00fcr die Aufskalierung mittels Rolle-zu-Rolle Verfahren zu entwickeln, um dann Solarmodule quasi wie Folien zu produzieren.<\/p>\n\n\n\n
Die organische Photovoltaik kann aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften zahlreiche neue Anwendungsfelder erschlie\u00dfen. Organische Solarzellen k\u00f6nnen ohne Verwendung von Schwermetallen und anderen kritischen Elementen hergestellt werden, haben ein geringes Gewicht, sind mechanisch flexibel, lassen sich sehr gut integrieren, und sie haben auch bei semitransparenter Bauart ein homogenes Erscheinungsbild. Durch Auswahl organischer Halbleiter, die ausschlie\u00dflich infrarotes Licht absorbieren, k\u00f6nnen transparente Solarzellen f\u00fcr Fenster und Agrarschutzfolien oder Gew\u00e4chshausgl\u00e4ser entwickelt werden, die verschiedene Nutzen wie Schutz gegen Unwetter und \u00dcberhitzung mit einer relevanten Stromerzeugung verbinden k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n
Da organische Solarmodule mit sehr geringem Einsatz an Material und Energie hergestellt werden k\u00f6nnen, haben sie ein sehr hohes CO2<\/sub>-Einsparpotenzial, das durch diese synergetische Nutzung nochmals gesteigert wird. Somit kann die Technologie sowohl einen Beitrag zur Vermeidung als auch zur Anpassung an den Klimawandel leisten, indem sie aufw\u00e4ndige Schutzanlagen in der Landwirtschaft \u00fcber den Stromertrag refinanziert. Bis zur Produktreife gilt es allerdings noch einige wichtige Entwicklungsschritte erfolgreich zu bestreiten.<\/p>\n\n\n\n
Neue Materialien liefern mehr Strom<\/strong><\/h5>\n\n\n\n
Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen wie beispielsweise aus kristallinem Silicium besteht die Absorberschicht organischer Solarzellen nicht aus einem Material, sondern aus einem sogenannten Donor\/Akzeptor Materialgemisch. Dies ist notwendig, da die Ausbeute an freien Ladungstr\u00e4gerpaaren sonst zu gering w\u00e4re. Nach der Absorption von Photonen kommt es sehr schnell zu einem Ladungstr\u00e4gertransfer an der Grenzfl\u00e4che der beiden Materialien. In der Vergangenheit wurden als Akzeptor zumeist Fullerene, also C60<\/sub>-Derivate verwendet. Dabei kam es beim Ladungstransfer in der Regel zu einem erheblichen Energieverlust, der die Spannung der Solarzelle entsprechend reduzierte. <\/p>\n\n\n\n
Zudem absorbieren Fullerene nur sehr wenig Sonnenlicht, weshalb der Strom haupts\u00e4chlich durch die Donorkomponente generiert wurde. Da organische Halbleiter meist nur in einem bestimmten Wellenl\u00e4ngenbereich absorbieren, konnte dadurch das Sonnenspektrum nicht gut genug ausgenutzt werden. Diese beiden Limitierungen konnten durch Materialinnovationen \u00fcberwunden werden. Inzwischen werden als Akzeptor Molek\u00fcle verwendet, die den Donormaterialien deutlich \u00e4hnlicher sind und deren optische und elektrische Eigenschaften durch Modifikation der chemischen Struktur besser angepasst werden k\u00f6nnen. Dadurch, dass die neuen Akzeptoren nun selbst starke Absorber sind, konnte der Strom der Solarzellen erheblich gesteigert werden. Parallel dazu wurden die energetischen Niveaus von Donor und Akzeptor besser aneinander angepasst, so dass zugleich die Spannung erh\u00f6ht wurde. So konnten weltweit inzwischen mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien vielversprechende Wirkungsgrade erzielt werden.<\/p>\n\n\n\n
Wirkungsgradsteigerung auf gr\u00f6\u00dferer Zellfl\u00e4che<\/h5>\n\n\n\n
Allerdings geschieht das im Allgemeinen auf sehr kleinen Zellfl\u00e4chen von oft nur einigen Quadratmillimetern. Aus diesem Grund haben die Forscher*innen am Fraunhofer ISE bereits vor einiger Zeit ein Zell-Layout entworfen, welches den photogenerierten Strom sehr effizient von der aktiven Zellfl\u00e4che ableitet. \u00bbAls wir nun hohe Wirkungsgrade mit einem kommerziellen Absorbermaterial auf kleinen Laborzellen erreichten, wollten wir wissen, ob sich das auch auf der gr\u00f6\u00dferen Fl\u00e4che von 1,1 cm2<\/sup> realisieren l\u00e4sst. Die Ergebnisse stellten uns sehr zufrieden, da wir keinerlei Einbu\u00dfen zu verzeichnen hatten\u00ab, sagt Dr. Birger Zimmermann, Teamleiter f\u00fcr Produktionstechnologie Organischer Solarzellen am Fraunhofer ISE. <\/p>\n\n\n\n
Die zertifizierte Messung im CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE ergab dann den Wert von 14,9%.\u00a0 \u00bbDies ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung\u00ab, erg\u00e4nzt Dr. Uli W\u00fcrfel, Abteilungsleiter Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE und Gruppenleiter am FMF der Uni Freiburg, \u00bbund wir haben dar\u00fcber hinaus noch ein paar Ideen, wie sich der Wirkungsgrad weiter steigern l\u00e4sst. Die n\u00e4chsten Wochen und Monate werden also sehr spannend.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Dabei verlieren die Freiburger Forscher*innen nicht aus dem Blick, dass das \u00fcbergreifende Ziel das Rolle-zu-Rolle prozessierte Modul ist, bei dem noch weitere Randbedingungen erf\u00fcllt werden m\u00fcssen. Nachdem zun\u00e4chst auf kleiner Fl\u00e4che in Laborprozessen das Potenzial der neuartigen organischen Absorbermaterialien gezeigt werden konnte, m\u00fcssen anschlie\u00dfend Wege gefunden werden, wie sich dieses Potenzial m\u00f6glichst vollst\u00e4ndig in gro\u00dffl\u00e4chige, leistungsf\u00e4hige Module umsetzen l\u00e4sst. <\/p>\n\n\n\n
\u00bbGemeinsam mit Industriepartnern werden wir die Organische Photovoltaik weiter zur Marktreife f\u00fchren\u00ab sagt Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett. \u00bbDiese Technologie, mit ihren flexiblen Anwendungsm\u00f6glichkeiten ist langfristig ein wichtiger Baustein f\u00fcr den dringend notwendigen Ausbau der Photovoltaik als wichtigstem Pfeiler der Energiegewinnung in einem nachhaltigen System.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Die Arbeiten wurden im Rahmen des vom Bundesministerium f\u00fcr Wirtschaft und Energie (BMWi) gef\u00f6rderten Projekts \u00bbH2OPV \u2013 Organische Photovoltaik zur Abdeckung von Wasserreservoiren\u00ab durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n