Semitransparente PV-Module mit industrienahem Fertigungsprozess entwickelt

Organische Solarmodule punkten mit Flexibilität, Transparenz und einer besonders guten Ökobilanz. Für einige Anwendungen ist die wellenlängenabhängige Transparenz eine besonders bedeutsame Stärke der organischen Photovoltaik.

Nun gelang es Forscherinnen und Forschern der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, 14,5 mal 14,5 Zentimeter große organische PV-Module mit einer Transparenz von durchschnittlich 43,2 Prozent und dennoch einem Wirkungsgrad bis zu 9,26 Prozent zu realisieren. Sie nutzten dafür eine Kombination aus Sputter- und Slot-Die-(Schlitzdüsenbeschichtung) Beschichtung, beides Verfahren, die industriell erprobt und auf große Modulflächen hochskalierbar sind.

»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 Labor-Ergebnisse mit kleinen, manuell gefertigten So-larzellen können oft nicht in die industrielle Fertigung übertragen werden, weil ihr Herstellungsverfahren auf größeren Flächen nicht funktioniert. »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.« Die Rückelektroden der Solarzellen werden im Prozessschritt davor im Sputterverfahren aufgebracht, ebenfalls ein etablierter Fertigungsweg.
Bei der Entwicklung semi-transparenter organischer Photovoltaik wird immer eine Abwägung zwischen Lichtdurchlässigkeit und dem damit unvermeidlich verbundenen Effizienzverlust durchgeführt, ausgedrückt in der Lichtnutzungseffizienz (light utilization efficiency, LUE). Bei den 210,25 Quadratzentimeter großen, semi-transparenten organischen Photovoltaikmodulen konnte das Forschungsteam bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 43,2 Prozent einen Wirkungsgrad von bis zu 9,26 Prozent erzielen. Das entspricht einer LUE von bis zu 4,0 Prozent. Diese herausragenden Ergebnisse wurden Anfang August im führenden Journal »Joule« veröffentlicht.

»Jetzt, wo wir den Fertigungsprozess unter Kontrolle haben, sind wir optimistisch, dass wir die Transparenz noch deutlich steigern können, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen«, ergänzt Uli Würfel.

Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit von deutlich über 50 Prozent könnten anstelle von Fenstergläsern in Gebäudefassaden oder in Gewächshäusern zum Einsatz kommen. In Kontexten, bei denen getönte Gläser erwünscht sind – zum Beispiel in Autodächern und Fassadenelementen– kann eine geringere Transparenz sogar von Vorteil sein.

In den Modulen wurden je mehr als 100 Solarzellen mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltet. Die Solarzellen bestehen aus einer im nahen Infrarot reflektierenden Rückelektrode, die per Sputtern auf ein Glas-Substrat aufgebracht wurde, der Absorberschicht aus organischen Halbleitern sowie einer metallfreien Top-Elektrode aus dem Polymer PEDOT:PSS, die in mehreren Schichten per Slot-Die aufgetragen wurden. Die Firma Heraeus Epurio entwickelte für diese Top-Elektrode eine neue PEDOT:PSS-Formulierung, die dazu beitrug, dass die PV-Module eine höhere Transparenz erzielten.

Slot-Die-Beschichtung ist kompatibel mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren und damit auch zur Herstellung von Solarmodulen auf Folie geeignet. »Im Projekt haben wir bereits erste flexible, organische PV-Module hergestellt, die nach 1.274 Biegezyklen über einen Stab mit 15 Millimeter Durchmesser 100 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz beibehielten«, erzählt Dr. Mathias List, Wissenschaftlicher Mitarbeiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. Das Unternehmen ROWO Coating stellte dafür die Folien her. »Der nächste Schritt ist, auch hier größere Modulflächen zu realisieren.«

Die Forschungsergebnisse sind Teil des Projekts »Durchblick-PV – Entwicklung von organischen Solarmodulen mit hoher visueller Transparenz«, unterstützt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK, heute BMWE). Projektpartner waren Heraeus Epurio, ROWO Coating, ASCA und die Universität Freiburg.

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