Die organische Photovoltaik (OPV - ) bzw. organische Feststoff-Solarzelle (OSC - Organic Solar Cell) bietet ein einzigartiges Potenzial für die Erzeugung umweltfreundlicher elektrischer Energie. Die halbleitenden Materialien bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, von kleinen Molekülen bis zu Polymeren. Die Schichten der organischen Solarzellen sind mit wenigen Nanometern für bestimmte Kontaktschichten bis einige hundert Nanometer für die lichtabsorbierenden Schichten etwa 1000-mal dünner als bei Silizium-Solarzellen. Sie sind damit extrem leicht, flexibel und unzerbrechlich, allein bestimmt durch die Verpackung. Durch den geringen Materialverbrauch, die einfache Prozessierung mit Druck- und Beschichtungsprozessen bei niedrigen Temperaturen und die Vermeidung kritischer Elemente wie Blei oder Cadmium ist der ökologische Fußabdruck äußerst klein..
Die organische Photovoltaik bietet ein einzigartiges Potenzial für Module mit hoher visueller Transparenz. Da organische Halbleiter aufgrund des molekularen Charakters nur eine begrenzte Bandbreite an Licht absorbieren, lassen sich Materialien herstellen, die nahinfrarotes Licht stark absorbieren, sichtbares Licht dagegen kaum. Dies ist mit anderen Technologien auf Basis von Bandkantenhalbleitern wie Silizium, anorganischen Dünnschichtmaterialien oder auch Perowskiten aufgrund fundamentaler Unterschiede der Materialeigenschaften nicht möglich. Die spektrale Selektivität organischer Halbleiter erlaubt es theoretisch, vollkommen transparente Photovoltaik herzustellen, deren Wirkungsgradpotenzial 20 % beträgt. Zudem lassen sich durch präzise Laserstrukturierung Module herstellen, die kaum sichtbare Strukturen aufweisen. Im Terawatt-Maßstab kann hochtransparente OPV perspektivisch in den Bereichen Agri-Photovoltaik, Gebäudeintegration und e-Mobilität Anwendung finden. Wir arbeiten intensiv daran, diese Potenziale auszuschöpfen.
Quelle: Dr. Uli Würfel, Fraunhofer ISE
Das PV-Modul HeliaSol® ist ein weltweit erstes OPV-Modul, das vom TÜV Rheinland nach IEC 61215 in Verbindung mit der IEC 61730 zertifiziert wurde. Das Ziel ist, jedes Gebäude zu einem Null-Energie-Gebäude zu machen, das sich selbst mit sauberer Energie versorgt.
Die PV Module wurden nach den spezifischen Kriterien für Haltbarkeit und Sicherheit basierend auf klar definierten beschleunigten Belastungstests wie Feuchte-Wärme, mechanische Belastung, PID, UV- oder Hageltests geprüft.
HeliaSol ist mit einem integrierten Rückseitenkleber ausgestattet und kann einfach auf die gewünschte Gebäudeoberfläche geklebt werden. Für die Installation benötigen Sie keine speziellen Werkzeuge oder eine besondere Unterkonstruktion. Eine Durchdringung des Daches oder eine Hinterlüftung zur Kühlung ist nicht erforderlich. HeliaSol kann auf verschiedene Materialien geklebt werden, wie z. B. Metall, Beton, Membrane, Glas, Bitumen und andere Untergründe auf Anfrage.
Die Installation in wenigen Schritten auszuführen.
1. Vorbereiten der Installationsfläche
2. Positionieren der Solarfolie auf der Installationsfläche
3. Entfernen der Schutzfolie des integrierten Rückseitenklebers
4. Fixieren der Solarfolie mit einer Rolle
Die Installation muss durch einen autorisierten Fachmann gemäß Benutzerhandbuch durchgeführt werden.
Organische Solarzellen sind eine Art von Solarzellen, die organische Materialien (Kohlenstoff-basierte Verbindungen) zur Absorption von Licht und zur Umwandlung in elektrische Energie verwenden.
1. Substrat:
Bedeutung: Das Substrat dient als Basis und sorgt für Stabilität und Struktur der Solarzelle.
Material: Transparentes Plastik, Glas oder Metallfolie.
Funktion: Dient als stabile Grundlage, auf die die anderen Schichten aufgebracht werden.
2. Transparente leitende Elektrode (Frontkontakt):
Bedeutung: Diese Schicht ermöglicht es, dass Sonnenlicht in die Zelle eindringen kann und gleichzeitig die erzeugten Elektronen abgeleitet werden.
Material: Indiumzinnoxid (ITO). Funktion: Lässt das Sonnenlicht durch und leitet die Elektronen ab.
3. Aktive Schicht:
Bedeutung: Diese Schicht ist das Herzstück der Solarzelle, da sie das Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umwandelt.
Material: Organische Polymere wie Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) und Fullerene.
Funktion: Absorbiert die Photonen des Sonnenlichts und erzeugt Elektronen und Löcher.
4. Lochtransportschicht (HTL):
Bedeutung: Diese Schicht sorgt dafür, dass die positiv geladenen Löcher zur Elektrode transportiert werden, was die Stromerzeugung ermöglicht.
Material: Poly(3,4-ethylenedioxythiophen) polystyrenesulfonat (PEDOT).
Funktion: Transportiert die „Löcher“ (positiv geladenen Teilchen) zur Elektrode.
5. Rückelektrode:
Bedeutung: Der Rückkontakt ermöglicht den Abfluss der Elektronen und schließt den Stromkreis.
Material: Aluminium, Silber oder Gold.
Funktion: Leitet die Elektronen ab und ermöglicht den Stromfluss.
6. Schutzschicht:
Bedeutung: Schützt die Solarzelle vor Umwelteinflüssen und mechanischen Schäden, was die Lebensdauer der Zelle erhöht.
Material: Transparentes Kunststoff oder Glas.
Funktion: Schutz vor Umwelteinflüssen und mechanischen Beschädigungen.
Vor- und Nachteile von organischen SolarzellenVorteile
Vorteile
• Flexibilität und Leichtigkeit: Organische Solarzellen sind dünn, leicht und flexibel. Diese Eigenschaften ermöglichen ihre Anwendung auf verschiedensten Oberflächen, einschließlich gebogener und tragbarer Strukturen wie Kleidung, Fenster und Gebäudeoberflächen.
• Kostengünstige Herstellung: Die Produktion organischer Solarzellen ist im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen weniger kostenintensiv. Dies liegt daran, dass sie oft mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden können, was keine Hochtemperaturprozesse erfordert und weniger Energie verbraucht.
• Umweltfreundlichkeit: Bei der Herstellung organischer Solarzellen werden keine gefährlichen Chemikalien verwendet, was sie umweltfreundlicher macht. Zudem benötigen sie weniger Material und Energie, was ihre Umweltbilanz weiter verbessert.
• Gutes Schwachlichtverhalten: Organische Solarzellen können ein breites Lichtspektrum absorbieren, wodurch sie auch bei schwachem Licht oder bewölktem Himmel noch effizient arbeiten.
• Transparenz: Sie können in transparenten oder semi-transparenten Formen hergestellt werden, was sie ideal für Anwendungen in Fenstern oder Fassaden macht, ohne die Ästhetik des Gebäudes zu beeinträchtigen. Auch eignen sie sich gut für Fahrzeuge oder unregelmäßige Oberflächen.
Nachteile
• Geringer Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen ist derzeit niedriger als der von herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Typischerweise erreichen sie Wirkungsgrade von 7 - 8 %, während Silizium-Solarzellen über 20 % erreichen können.
• Kürzere Lebensdauer: Die Lebensdauer organischer Solarzellen ist noch begrenzt und sie sind anfälliger für Abbau durch UV-Licht und andere Umwelteinflüsse. Dies führt zu einer schnelleren Degradation der Materialien.
• Hoher Flächenbedarf: Aufgrund ihres niedrigeren Wirkungsgrads benötigen organische Solarzellen eine größere Fläche, um die gleiche Menge an Energie zu erzeugen wie Silizium-Solarzellen.
• Materialkompatibilität: Die Wahl der optimalen Materialien für organische Solarzellen ist komplex und erfordert Kompromisse zwischen Lichtabsorption, Elektronenmobilität und Lebensdauer. Dies erschwert die Entwicklung effizienter und langlebiger Solarzellen.
• Einsatz von seltenen Materialien: In einigen Fällen erfordern die Elektrodenmaterialien organischer Solarzellen seltene und teure Metalle, was die Produktionskosten erhöhen kann.
Organische Solarzellen bieten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen, wenn es um spezifische Anwendungsbereiche geht: Insbesondere solche, bei denen Flexibilität, geringes Gewicht und gute Leistung bei schwachem Licht gefragt sind. Trotz einiger Nachteile, wie geringerem Wirkungsgrad und kürzerer Lebensdauer, zeigen sie großes Potenzial durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung.
Quelle: Robert Adam, Erneuerbare Energien Aktuell.