Eins der geplanten Produkte für die neuen Plastiksolarzellen: ein Zelt mit photovoltaischem Dach. Bildquelle: Solarmer Energy
Organischen Solarzellen wird zwar ein großes Anwendungspotenzial nachgesagt, aber der Wirkungsgrad dümpelte bislang bei sechs Prozent vor sich hin. Das kalifornische Start-up Solarmer Energy will das ändern – und hat jetzt mit 7,9 Prozent einen neuen Rekord für diese Materialklasse aufgestellt.
Eine der interessanten Perspektiven in der Pholtovoltaik sind organische Solarzellen aus elektrisch leitfähigen Polymeren. Ihr Vorteil: Weil das Material billig, leicht und biegsam ist, lassen sich daraus aufrollbare Solarmatten als Stromquelle etwa für Smart Phones und andere mobile Geräte machen. Zudem lässt es sich einfach in Druckmaschinen zu wenige Mikrometer dicken Schichten verarbeiten. Der Haken: Trotz intensiver Forschung ist der Wirkungsgrad von Polymerzellen bislang nicht über sechs Prozent hinausgekommen – weniger als die Hälfte dessen, was herkömmliche Solarzellen bringen.
Das kalifornische Start-up Solarmer Energy will das endlich ändern: Bis Ende des Jahres wolle man einen Wirkungsgrad von zehn Prozent erreicht haben, erklärt Yue Wu, Forschungsleiter der Firma, selbstbewusst. Gemeinsam mit Luping Yu von der Universität Chicago hat Solarmer Energy bereits Polymere entwickelt, die einen größeren Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums absorbieren als andere Verbindungen. Dadurch konnten sie den Wirkungsgrad einer organischen Zelle immerhin auf 7,9 Prozent steigern – bisheriger Rekord in dieser Materialklasse.
Derzeit arbeitet das Startup mit Yang Yang, Materialwissenschaftler an der Universität von Kalifornien in Los Angeles, am nächsten Sprung. Yang setzt auf Zellen aus mehreren, übereinander gestapelten Schichten, die jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche abdecken. Mit dieser Konstruktion und neuen Polymeren hofft er den Wirkungsgrad sogar auf 12 bis 15 Prozent hochtreiben zu können. Seine Laborprototypen haben aber erst einmal nur die Sechs-Prozent-Marke übertroffen.
Grundlage der Solarmer-Technologie ist ein Gemisch aus einem halbleitenden Polymer und Kohlenstoffnanostrukturen – in der Regel eine Variante der so genannten Fullerene, deren bekannteste Form das fußballförmige C60 („Buckyball“) ist. Das Polymer wandelt absorbierte Lichtteilchen in bewegliche Elektronen um, die von den Nanostrukturen zur Elektrode weitergeleitet werden.
Ein Ansatzpunkt für die Verbesserung ist hierbei die so genannte Bandlücke im Polymer. Das ist der energetische Abstand zwischen dem niedrigen, gebundenen Zustand des Elektrons – es sitzt also im Molekül fest – und einem höheren, in dem es frei beweglich wird. Um auf diesen höheren energetischen Zustand springen zu können, muss das Elektron ein Lichtteilchen absorbieren, dessen Energie mindestens so groß ist wie diese Bandlücke. Verringert man diese, kann auch langwelligeres Licht – das nicht so energiereich ist wie kurzwelliges – die Elektronen in Bewegung setzen. Dadurch wird der spektrale Anteil des von der Solarzelle absorbierbaren Lichts größer.
Luping Yu entwickelt deshalb neue Polymere, in denen die leitfähigen Elektronenzustände niedriger liegen. „Das Schöne an organischen Solarzellen ist, dass wir mit neuen Molekularstrukturen diese Energieniveaus nach Maß absenken können“, sagt Yang Yang.
Eine weitere Möglichkeit ist, die Grenzflächen zwischen den Polymeren und den Nanostrukturen zu verbessern. Dann können die Elektronen schneller zu den Elektroden gelangen, und die Wahrscheinlichkeit, dass sie irgendwo in dem Materialgemisch steckenbleiben, sinkt. Zudem arbeiten die Forscher auch an besseren Werkstoffen und Herstellungsverfahren für die Elektroden. All dies zusammengenommen werde am Ende den Wirkungsgrad sowohl einzelner als auch gestapelter Zellen erhöhen, ist sich Yang sicher.
Selbst wenn Solarmer Energy sein Zehn-Prozent-Ziel erreicht, dauert es nach Einschätzung von Forschungsleiter Wu wohl noch drei Jahre, bis die Firma kommerzielle Module für Dachinstallationen drucken kann. Anfang 2011 soll es erst einmal mit kleinen Modulen für Laptop-Taschen oder die Rückseiten von Handys losgehen. Danach sollen photovoltaische Markisen und Sonnenschirme folgen. Solarmer peilt dabei für seine Technologie Energiekosten an, die maximal 20 Prozent der Kosten herkömmlicher Solarzellen betragen.
Neben dem Wirkungsgrad müsse man aber auch noch an der Stabilität der Zellen arbeiten, sagt Yang. „Auf den Markt kommt nicht unbedingt die effizienteste Technologie, sondern die, die am zuverlässigsten herzustellen ist“, betont er. So hat Konarka Technologies, ein Vorreiter auf dem Gebiet der organischen Photovoltaik, inzwischen die Produktion von Plastiksolarmodulen aufgenommen – trotz einem Wirkungsgrad von maximal fünf Prozent.
Für Adam Moulè, Chemieingenieur an der Universität von Kalifornien in Davis, ist die Lebensdauer von organischen Zellen das größte Problem derzeit. Die müsse noch deutlich zunehmen. Die bisherigen Module von Solarmer Energy halten nur drei Jahre. Der neue Rekord-Wirkungsgrad von fast acht Prozent beeindruckt allerdings auch Moulé.
Für einen Durchbruch der organischen Zellen am Markt sieht der Ingenieur zwei Kriterien: „Sie müssen einen Wirkungsgrad von über fünf Prozent und eine garantierte Lebensdauer von mehr als fünf Jahren hinbekommen. Dann können ihre Module es dank der niedrigen Kosten auch mit CIGS- und Silizium-Zellen aufnehmen.“ CIGS steht für Kupfer-Indium-Gallium-Selenid und wird als Halbleiterverbindung für neue Dünnschichtzellen verwendet.
Auch Michael McGehee, Materialwissenschaftler an der Stanford University, geht davon aus, dass Polymerzellen am Ende billiger als Dünnschichtzellen sein werden. Damit sie den Photovoltaikmarkt aufmischen, setzt er aber einen Wirkungsgrad von mindestens 15 Prozent an. „Wir verstehen die physikalischen Grundlagen noch nicht gut genug, um die theoretische Grenze bei den organischen Materialien angeben zu können“, räumt McGehee ein. Bis zu 20 Prozent Wirkungsgrad traut er den Plastiksolarzellen aber zu.
Mehr Informationen zur Effizienzsteigerung organischer Solarzellen: Yang Yang et al., "Routes towards high-efficiency polymer solar cells"; in: Franky So (Hg.), Organic Electronics. Materials, Processing, Devices and Applications, CRC Press 2010, S. 319 – 357, einsehbar bei Google Books
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