Flexible Photovoltaiklösungen kombinieren hohe Leistung und Vielseitigkeit
Solarenergie wird immer wichtiger, um weltweit die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und auf saubere, nachhaltige Energieträger umzustellen. Organische Solarzellen auf Polymerbasis sind billiger und leichter als herkömmliche Silizium-Photovoltaikzellen, was sie zu einer vielversprechenden Alternative macht.
Vorteile polymerbasierter organischer Solarzellen
„Organische polymerbasierte Solarzellen der nächsten Generation sind herkömmlichen Solarenergiekonvertern in vieler Hinsicht überlegen, insbesondere bei Nischenanwendungen“, erläutert Riccardo Po, Koordinator des Projekts LABandFAB, das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde. Grundlegender Wirkmechanismus ist der photoinduzierte Elektronentransfer von einem polymeren Donator- zu einem Akzeptormolekül, um Solarenergie effizient in Strom umzuwandeln. Da organische Photovoltaiksysteme in der Regel im Niedertemperaturdruck- oder Beschichtungsverfahren aus lösungsmittelbasierten Tinten hergestellt werden, sind sie mit flexiblen Kunststoffsubstraten kompatibel. „Kürzliche Laborerfolge in der organischen Photovoltaik, z. B. bessere Materialtechnik, präzisere Morphologie photoaktiver Schichten sowie maßgeschneiderte Gerätearchitekturen, trugen dazu bei, die Umwandlungseffizienz um bis zu 20 % zu steigern“, erklärt Po. Trotz dieser Fortschritte sind kommerzielle Anwendungen der Technologie noch rar.
Schwierige Kommerzialisierung organischer Photovoltaiksysteme
„Für einen kommerziellen Erfolg organischer Photovoltaiktechnologie müssten die Laborforschungsergebnisse auf großflächige Module und deren Fertigung in Hochdurchsatz-Druckanlagen übertragbar sein“, ergänzt Po. „Bei der Entwicklung sind allerdings noch einige Hürden im Zusammenhang mit Materialkomplexität und Herstellungstechnologie zu nehmen.“ So muss die aktive Farblösung vor allem dick genug gedruckt sein, um Löcher und Kurzschlüsse in den Photovoltaikgeräten zu vermeiden. Die meisten veröffentlichten Studien zu hocheffizienten Geräten mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren empfehlen Schichten mit einer Dicke von etwa 100 nm, was mit Druckverfahren im Labormaßstab wie Schleuderbeschichtung zwar kompatibel ist, bei Schichtabscheidung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren jedoch weniger funktioniert. Mangels Skalierbarkeit ist auch die kommerzielle Umsetzung der Laborergebnisse schwierig. Um diese Probleme auszuräumen und die Kommerzialisierung organischer Solarzellen voranzutreiben, forschte LABandFAB an neuen Materialien und Verfahren für bessere Effizienz und Stabilität der Technologie. So wurde u. a. ein neues konjugiertes Polymer generiert, das sich relativ einfach herstellen lässt (und so Materialkosten senkt) und eine Umwandlungseffizienz von fast 10 % sowie eine Haltbarkeitsstabilität von über 2 300 Stunden erreicht. „Wir untersuchten Abscheidungstechniken, die mit dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel sind, etwa Rakelstreichverfahren, sodass die organischen Solarzellen ohne Einsatz chlorierter Lösungsmittel hergestellt werden können“, erläutert Po. „Dieser umweltfreundliche Ansatz könnte Kosten und Herstellungsaufwand für organische Solarzellen deutlich senken und damit kommerzielle Anwendungen vereinfachen.“
Balance zwischen Leistung und Anschlussfähigkeit
Obwohl ein höherer Wirkungsgrad wichtig ist, zeigte LABandFAB auch, dass Leistung und Anschlussfähigkeit gut ausgewogen sein müssen.Einer Metaanalyse zufolge sinkt die Effizienz der organischen Photovoltaikschicht mit zunehmender Dicke,was durch sparsamen Einsatz hochspezialisierter Ressourcen nur teilweise kompensiert werden kann. So wurde ein neuer Leistungsindikator entwickelt, um die Forschung für dieses noch vernachlässigte Thema zu interessieren. Schwerpunkt von LABandFAB war die Entwicklung von Verkapselungsverfahren und neuen Berechnungsmethoden der Stabilität, um den Test- und Prüfprozess für neue organische Photovoltaikmaterialien und -designs zu rationalisieren. Trotz des späten Starts von LABandFAB aufgrund der COVID-19-Pandemie kam das Projekt bei der Weiterentwicklung polymerbasierter organischer Solarzellen jedoch deutlich voran. Das Projekt lieferte der Forschung zu organischen Photovoltaiksystemen wichtige Erkenntnisse, was zwei renommierte Forschungsbeiträge in den Fachjournalen Advanced Materials und Solar RRL beschreiben.
Schlüsselbegriffe
LABandFAB, organische Solarzellen auf Polymerbasis, organische Photovoltaik, Anschluss, Flexibilität, Skalierbarkeit, Rolle-zu-Rolle-Verfahren
