Organische Solarmodule, die Zukunft der Photovoltaik?

Organische Solarmodule könnten in Zukunft eine große Rolle für die Gewinnung von solarem Strom. Die Zellen basieren zwar auf derselben Technologie wie die kristallinen-Module, aber haben dafür andere Vorzüge, weswegen die organischen Module zukünftig eine immer größer werdende Rolle spielen könnten.

Die Technik von Organische Solarmodule

Organische Solarmodule bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Das Prinzip von der Verwendung von organischen, anstelle von anorganischen Materialien wie Silizium, birgt einige Vorteile. So ist die Technologie kostengünstiger und verbraucht keine kritischen Rohstoffe, deren Vorkommen begrenzt sind, wie es im Fall von Silber ist.

Die Technik hinter organischen Zellen ist ähnlich wie bei den anorganischen. Trifft Licht auf die Zelle, werden Elektronen angeregt. Es entsteht ein Stromfluss, der dann verwendet werden kann. Jedoch gibt es bei den organischen Zellen ein Problem. Durch die intensive Strahlung zersetzt sich das Material mit der Zeit. Dadurch haben organische Zellen aktuell keine hohe Lebensdauer.

Schlechte Wirkungsgrade

Die derzeit weitverbreiteten Dickschichtmodule haben das physikalische Problem, dass der Wirkungsgrad nicht über 30 Prozent steigen kann. Dünnschichtmodule haben dieses Problem nicht. Hier gibt es aktuell keine Obergrenze. Damit ist das Potential dieser Modulart deutlich höher. Allerdings wurden diese in der Theorie hohen Wirkungsgrade derzeit noch nicht erreicht. Unter Laborbedingungen wurden zwar hier auch schon Werte von 12 bis 19 Prozent erreicht, doch in der praktischen Anwendung kommen die Zellen nur auf Werte bis zu 7 Prozent.

Durch die deutlich niedrigeren Wirkungsgrade, als es bei den mono– und polykristallinen Modulen üblich sind, sind sie für die reale Anwendung derzeit noch nicht ganz interessant. Vor allem im Hinblick auf die Haltbarkeit der Zellen.

Tandem-Solarzellen könnten die Lösung sein

Bei dem Tandemsolarzellenverfahren werden mehrere Schichten von Halbleitern aufeinander gelegt. Die einzelnen Schichten können unterschiedliche Teile des Lichtspektrums für sich nutzen. Dadurch wird der Wirkungsgrad der organischen Tandemzelle vergrößert.

Anwendungsbereich von organischen Solarmodulen

Im Prinzip sind organische Module nichts anderes als Dünnschichtmodule, nur eben aus anderen Stoffen. Sie haben also die gleichen Vorteile, was ihre Anwendungsbereiche angeht. Die Zellen lassen sich sowohl auf starren, als auch auf flexiblen Materialien befestigen. Durch die Anbringung auf flexiblen Materialien ist es mögliche die Module auf runden Oberflächen zu montieren. So wie es zum Beispiel auch bei einem Wohnmobil vorne der Fall ist.

Doch das ist nicht der einzige Anwendungsort, auch auf Kleidung oder Rucksäcken lassen sich die Zellen integrieren. Dadurch könnte in der Theorie bequem das Smartphone unterwegs aufgeladen werden. Darüber hinaus haben organische Solarmodule noch einen weiteren Vorteil. Sie können nahezu undurchsichtig sein, dafür eignen sie sich als Glasfolie und können auf Fenstern angebracht werden. Was auch in der Solarauto-Branche von großem Nutzen sein könnte.

Vorteile von organischen Solarmodulen

Viele der Vorteile wurden bereits angesprochen. So zählt es zu den Vorteilen, dass es sich hier um flexible Module handelt, die einen vielfältigen Anwendungsbereich aufweisen können. Dazu kommt, dass der Herstellungsprozess kostengünstiger ist, als bei den altbekannten Modulen, die sich derzeit auf den Hausdächern finden lassen. Zudem wird kein Hochtemperaturverfahren benötigt, dies führt zu einer energieeffizienten Herstellung der Module. Insgesamt gelten die Module als umweltfreundlicher, da neben der energieeffizienteren Herstellung auch wesentlich umweltfreundlichere Materialien verwendet werden.

Die Module weisen zudem ein sehr gutes Schwachlichtverhalten auf. Was wiederum neue Anwendungsbereiche ermöglicht. So produzieren sie auch bei bewölktem Himmel, Nebel und in Innenräumen Strom. Darüber hinaus weisen die Zellen ein breites Lichtspektrum auf. Es können also viele verschiedene Wellenlängen des Lichtes zur Stromerzeugung genutzt werden. So haben die Module in der Theorie auch kein Limit, wenn es zum Wirkungsgrad von Modulen kommt.

Nachteile von organischen Solarmodulen

Nach aktuellem Forschungsstand lassen die Solarmodule derzeit in ihrem Wirkungsgrad zu Wünschen übrig. Durch die sehr niedrigen Wirkungsgrade sind sie im Vergleich zu anderen Modulen sehr unteraktiv. Um die gleiche Menge an Strom zu produzieren, bräuchte es eine wesentlich größere Fläche.

Ebenfalls problematisch gesehen wird die Lebensdauer der Module, den diese ist aktuell noch sehr niedrig, da die Module durch die Einstrahlung kaputtgehen können. Zudem gibt es noch keine konkreten Langzeiterfahrungen zu den Modulen, da die Technologie noch relativ jung ist. Somit bleibt es abzuwarten, wie diese Module sich in Zukunft durchsetzen können.

Aktuelle Forschungsprojekte

Da organische Solarmodule theoretisch noch sehr ausbaufähig sind. Gibt es derzeit verschiedene Projekte, die daran arbeiten, die Technologie zu verbessern und für verschiedene Nutzungsbereiche anwendbar zu machen. Eine Forschungseinrichtung ist das Fraunhofer ISE. Derzeit laufen dort zwei Forschungsprojekte.

Das ADAPT-Projekt verfolgt das Ziel, eine Solarfolie für die Landwirtschaft zu entwickeln. Damit sollen die Pflanzen geschützt werden und gleichzeitig Strom generiert werden. Dafür sollen die für die Pflanzen wichtigen Lichtwellen durchgelassen werden und der infrarote-Lichtbereich von den Solarzellen genutzt werden. So soll es zu einer Win-win-Situation kommen. Das Projekt ist im September 2021 gestartet und ist angesetzt bis Juli 2024.

Das Projekt ORGANAUT auf der anderen Seite arbeitet an einem anderen Ziel. Hier ist der Plan, die Solarzellen für Innenräume zu optimieren. So dass diese Anwendung bei Sensoren und Funkdatenlogger zum Einsatz kommen kann. Dabei liegt der Fokus unter anderem dabei, eine hohe Toleranz gegenüber Beschichtungsdefekten zu erreichen. Neben dem Fraunhofer ISE arbeitet auch die Universität Freiburg an diesem Projekt.

Ein weiteres Projekt hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) auf die Beine gestellt. Sprecher des Projektes ist dabei Prof. Dr. Carsten Deibel von der TU Chemnitz. Die Forschungsgruppe POPULAR hat das Ziel, organische Solarzellen kostengünstig und effizient zu drucken. Das Projekt ist dabei für vier Jahre angesetzt.

Durchbrüche in der Forschung

Neben den aktuellen Forschungen gibt es allerdings mittlerweile einige Durchbrüche in der Forschung. So hat ein Forschungsteam der University of California in Santa Barbara (UCSB) bereits 2021 eine Möglichkeit gefunden, den Wirkungsgrad von organischen Zellen zu erhöhen. Die Forschenden gehen davon aus, dass mit der neu entdeckten Methode Wirkungsgrade von 20 Prozent und mehr möglich sein sollten. Ganz vereinfacht dargestellt, geht es bei den Forschungsergebnissen darum, dass die Elektronen ihre Energie verliert. Organische Zellen sind wesentlich anfälliger für den Prozess der Ladungsrekombination. Die Forschenden der UCSB haben allerdings eine Möglichkeit gefunden, diesen Vorgang zu vermeiden.

Hersteller

Auch wenn an der Technologie noch sehr viel geforscht wird, gibt es bereits erste Hersteller, die diese Technologie auf den Markt bringen.

Heliatek

Der Hersteller Heliatek aus Deutschland produziert Solarfolien, mit der organischen Solarzellen Technologie. Diese wurden bereits an verschiedenen Standorten montiert und werden genutzt. Dadurch entstand auch die größte organische Solaranlage an einer Schule in Frankreich.

asca

Der Hersteller ASCA ist ein deutsch-französisches Team, welches an organischen Solarzellen Projekten arbeitet. Dabei realisieren sie die verschiedensten Projekte. Zuletzt haben sie mit dem Kunden On Aura tout Vu für die Frühjahrs-/ Sommerkollektion 2023 zusammengearbeitet. Bei dieser Modekollektion sind einige Stücke mit organischen Solarzellen ausgestattet worden.