Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE meldet Fortschritte bei der Skalierung semitransparenter organischer Photovoltaikmodule. Nach Angaben des Instituts konnten erstmals sämtliche Schichten der Solarzellen praktisch verlustfrei mit industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren aufgetragen werden. Die Rückelektroden wurden im vorgelagerten Prozessschritt per Sputtern aufgebracht.
Der Schritt ist vor allem für Anwendungen relevant, bei denen Photovoltaik nicht als klassisches Aufdachsystem, sondern als lichtdurchlässiges Bauelement eingesetzt werden soll – etwa in Fassaden, Gewächshäusern oder getönten Glasflächen.
Wirkungsgrad und Transparenz im Zielkonflikt
Das semitransparente PV-Modul lässt Pflanzen und Beeren im Hintergrund sichtbar bleiben. (Bild: Fraunhofer ISE)
Bei semitransparenter organischer Photovoltaik steht die Entwicklung grundsätzlich vor einem Zielkonflikt: Je höher die Lichtdurchlässigkeit, desto stärker wirkt sich dies in der Regel auf den Wirkungsgrad aus. Bewertet wird dieser Zusammenhang unter anderem über die Lichtnutzungseffizienz, englisch Light Utilization Efficiency, kurz LUE.
Die vom Fraunhofer ISE gefertigten Module haben eine Fläche von 210,25 Quadratzentimetern. Bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 43,2 Prozent erreichten sie laut Institut einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 Prozent. Daraus ergibt sich eine LUE von bis zu 4,0 Prozent. Die Ergebnisse wurden Anfang August im Fachjournal „Joule“ veröffentlicht.
„Die Hochskalierung auf große Flächen ist eine der großen Herausforderungen bei der organischen Photovoltaik“, erläutert Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Gute Laborergebnisse mit kleinen, manuell gefertigten Solarzellen ließen sich häufig nicht direkt in industrielle Fertigungsprozesse übertragen. „Dass wir nun zum ersten Mal erfolgreich und praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen per industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch.“
Aufbau der Module
In den Modulen wurden jeweils mehr als 100 Solarzellen mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltet. Die Zellen bestehen aus einer im nahen Infrarot reflektierenden Rückelektrode, die per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht wurde, einer Absorberschicht aus organischen Halbleitern sowie einer metallfreien Top-Elektrode aus dem Polymer PEDOT:PSS.
Die mehreren Schichten der Top-Elektrode wurden per Slot-Die-Beschichtung aufgetragen. Heraeus Epurio entwickelte dafür eine neue PEDOT:PSS-Formulierung, die laut Projektangaben zur höheren Transparenz der Module beitrug.
Potenzielle Anwendungen in Fassade, Gewächshaus und Fahrzeug
Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit von deutlich über 50 Prozent könnten künftig anstelle von Fenstergläsern in Gebäudefassaden oder in Gewächshäusern eingesetzt werden. Bei Anwendungen, in denen getönte Gläser erwünscht sind, kann auch eine geringere Transparenz vorteilhaft sein. Als Beispiele nennt das Fraunhofer ISE Autodächer und Fassadenelemente.
Nach Einschätzung des Instituts ist weiteres Entwicklungspotenzial vorhanden. „Jetzt, wo wir den Fertigungsprozess unter Kontrolle haben, sind wir optimistisch, dass wir die Transparenz noch deutlich steigern können, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen“, sagt Uli Würfel.
Slot-Die-Prozess auch für flexible Module relevant
Die Slot-Die-Beschichtung ist mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel und damit auch für die Herstellung von Solarmodulen auf Folie relevant. Im Projekt wurden bereits erste flexible organische PV-Module hergestellt. Diese behielten laut Fraunhofer ISE nach 1.275 Biegezyklen über einen Stab mit 15 Millimeter Durchmesser 100 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz bei.
Die Folien für diese Versuche stellte Rowo Coating her. „Der nächste Schritt ist, auch hier größere Modulflächen zu realisieren“, erklärt Dr. Mathias List, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE.
Projekt Durchblick-PV
Die Forschungsergebnisse entstanden im Projekt „Durchblick-PV – Entwicklung von organischen Solarmodulen mit hoher visueller Transparenz“. Unterstützt wurde das Projekt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, heute Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Projektpartner waren Heraeus Epurio, Rowo Coating, Asca und die Universität Freiburg.
Weitere Informationen finden Sie unter www.ise.fraunhofer.de.
Quelle: Fraunhofer ISE