Organische Photovoltaik Semitransparente Solarmodule mit Wirkungsgrad von 9,26 Prozent

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Forscher der Universität Freiburg und des Fraunhofer ISE haben ein semitransparentes organisches Solarmodul mit einer Transmission von 43,2 Prozent im sichtbaren Spektrum und einem Wirkungsgrad bis 9,26 Prozent entwickelt, das tauglich für die Massenproduktion ist.

Semitransparente Photovoltaik stellt besondere Anforderungen an Zellaufbau und Materialsysteme: Für Anwendungen in Gebäuden, Fahrzeugen oder der Landwirtschaft soll möglichst viel sichtbares Licht passieren, während die Solarzelle gleichzeitig ausreichend Strahlungsenergie absorbiert. Organische Halbleiter bieten dafür einen Ansatz, weil sich ihre Absorption gezielt in den nahen Infrarotbereich (NIR) verschieben lässt.

Das Forschungsteam aus Freiburg realisierte ein 14,5 × 14,5 cm großes Modul mit einer nutzbaren Fläche von 210,25 cm². Bei einer mittleren Transmission von 43,2 % im sichtbaren Bereich erreicht es einen Wirkungsgrad von 9,26 %.

NIR-Strahlung absorbieren, sichtbares Licht durchlassen

Auch die beiden Elektroden an Vorder- und Rückseite der Solarzellen müssen entsprechend optimiert werden: Auf der Vorderseite kommt es auf eine sehr hohe und sehr breitbandige Transmission an, damit sowohl das sichtbare Licht als auch das NIR-Licht hindurchkommen.

Die Solarzelle besteht aus einer NIR-reflektierenden Rückelektrode, einer organischen photoaktiven Schicht und einer transparenten Top-Elektrode. In der Absorberschicht kommen organische Halbleiter mit sogenannten Nicht-Fulleren-Akzeptoren zum Einsatz. Sie absorbieren NIR-Strahlung stark, lassen sichtbares Licht aber weitgehend passieren.

Die Rückelektrode der Solarzelle besteht aus einem am Fraunhofer ISE entwickelten, gesputterten Mehrschichtsystem auf Silberbasis. Sie soll das sichtbare Licht möglichst gut hindurchlassen, die NIR-Strahlung zurück in die Absorberschicht reflektieren, um nochmals in die Solarzelle zurückgeführt zu werden, damit sie dort in Strom gewandelt wird.

Auf der Vorderseite der Solarzelle kommt eine metallfreie Elektrode aus PEDOT:PSS zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein leitfähiges Polymer, das aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) und Polystyrolsulfonat besteht. Es verbindet elektrische Leitfähigkeit mit hoher optischer Transmission und lässt sich als Dispersion großflächig auftragen. Eine speziell entwickelte Formulierung von Heraeus Epurio verbessert die Transparenz der PV-Module. Das Unternehmen ROWO Coating stellte dafür die Folien her.

Skalierbare Slot-Die-Beschichtung für große Flächen

Ein wesentlicher Entwicklungsfortschritt betrifft die Fertigung. Zum ersten Mal konnten erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen mit dem industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren aufgetragen werden.

Bei der Slot-Die-Beschichtung wird eine flüssige Beschichtung durch einen schmalen Düsenschlitz mit definierter Menge und Schichtdicke kontinuierlich auf das Substrat aufgebracht. Das Verfahren eignet sich für große Flächen und lässt sich insbesondere mit Rolle-zu-Rolle-Prozessen kombinieren.

Die Rückelektrode wird zuvor per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht. Anschließend werden mehr als 100 Einzelzellen mittels Laserstrukturierung zum Modul verschaltet. Damit kombiniert die Entwicklung Sputtern, Slot-Die-Beschichtung und Laserverfahren – Fertigungstechnologien, die grundsätzlich auf größere Modulflächen übertragbar sind.

Die Herausforderung besteht dabei in der präzisen Steuerung von Schichtdicke, elektrischen Eigenschaften und optischer Transmission über die gesamte Fläche. Bereits geringe Abweichungen können bei semitransparenten Modulen sowohl Wirkungsgrad als auch Transparenz beeinflussen.

Flexible Module bereits demonstriert

Das Fertigungskonzept eignet sich auch für flexible Substrate. Erste flexible organische PV-Module überstanden 1.274 Biegezyklen über einen Dorn mit einem Durchmesser 15 mm und behielten dabei ihre ursprüngliche Effizienz. Damit ist neben der großflächigen Fertigung auch die Integration in gekrümmte oder flexible Anwendungen möglich.(kr)

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