Organische Solarzellen: Funktion und Potenziale

Aufbau, Funktion und Herstellung: Was sind Plastiksolarzellen?  

Wie einleitend beschrieben, bestehen organische Solarzellen oder Plastiksolarzellen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Diese enthalten eine spezielle Elektronenstruktur und wirken dadurch wie klassische Halbleiter. Das heißt: Trifft Licht auf die Zellen, setzen sich Ladungsträger in Bewegung. Es entsteht eine Spannung, die sich mit Kontakten an der Oberfläche abnehmen lässt.

Entwicklung organischer Solarzellen im Versuch-Irrtum-Verfahren

Während konventionelle Photovoltaikzellen aus Silizium bestehen, ist die Materialwahl bei organischen Solarzellen eine große Herausforderung. Denn es stehen verschiedenste Lösungen zur Verfügung, deren Wirkung nicht immer von vornherein bekannt ist. Forscher setzen dabei zumeist auf Versuch-Irrtum-Verfahren, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Voraussetzung dafür ist, dass:

• organische Solarzellen viel Licht absorbieren
• interne elektrische Widerstände klein sind
• Kunststoffe trotz der Strahlung lange halten

Große Potenziale liegen dabei in sogenannten Tandemzellen, welche aus mehreren übereinander angeordneten organischen Halbleitern bestehen. Die einzelnen Schichten absorbieren dabei unterschiedliche Teile des Lichts und erreichen gemeinsam höhere Wirkungsgrade.

Herstellung der Plastiksolarzellen verbraucht weniger Energie

Aufwendige Reinigungsschritte und energieintensive Hochtemperaturverfahren sorgen bei der Herstellung konventioneller Photovoltaikzellen für einen hohen CO₂-Ausstoß. Geht es um die Herstellung organischer Solarzellen, stellt sich das oft anders dar. Denn hier kommen in der Regel Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren zum Einsatz, um die Polymere auf eine meist flexible Trägerschicht zu bringen. Die Verfahren sind schnell, verbrauchen vergleichsweise wenig Energie und kommen oft auch ohne gefährliche Chemikalien aus.

Einsatzgebiete der organischen Photovoltaik sind unbegrenzt

Konventionelle Zellen wandeln maximal 30 Prozent der auftreffenden solaren Strahlung in elektrische Energie um. Sie erreichen damit aktuell zwar höhere Wirkungsgrade als organische Solarzellen, lassen sich allerdings nicht unbegrenzt weiterentwickeln. Letzteres funktioniert bei den Plastiksolarzellen beispielsweise durch das Aufschichten verschiedener Halbleiter.

Die energiesparende Herstellung, der Druck auf flexible Trägermaterialien und der potenziell sehr hohe Wirkungsgrad sorgen dabei für nahezu unbegrenzte Einsatzgebiete. Ob auf dem Dach, im Bereich der Elektromobilität oder an verschiedensten Oberflächen: Die Solarzellen neuester Technik könnten in Zukunft Lösungen für viele Bereiche bieten.

Vorteile und Nachteile der organischen Solarzellen

Plastiksolarzellen zur Stromerzeugung lassen sich schnell und günstig herstellen. Sie ermöglichen eine hohe Energieeffizienz und tragen einen großen Teil zum Umwelt- und Klimaschutz bei. Aus technischer Sicht liegen die größten Vorteile in der Flexibilität. Organische Solarzellen sind sogar transparent herstellbar und für den Einsatz in verschiedensten Bereichen geeignet.

Nachteilig sind aktuell jedoch die vergleichsweise geringen Wirkungsgrade, welche im Labor bei etwa 15 und in der Praxis häufig unter zehn Prozent liegen. Trotz niedriger Kosten zieht dies einen hohen Flächenbedarf nach sich. Ein negativer Aspekt ist außerdem die fehlende Langzeiterfahrung und -stabilität. Das Problem hierbei: Sonnenlicht, welches für die Funktion organischer Solarzellen unabdingbar ist, zersetzt die Kunststoffe mit der Zeit. Forscher arbeiten jedoch mit Hochdruck daran, die Nachteile der Plastiksolarzellen durch neue Materialmixe und Technologien in den Griff zu bekommen.

Die folgende Tabelle stellt die wichtigsten Vorteile und Nachteile im Überblick dar.

Marktreife und Perspektive: Werden organische Solarzellen kristalline ersetzen?

Auch wenn Plastiksolarzellen zur Stromerzeugung heute noch nicht marktreif sind, arbeiten Forscher mit Hochdruck daran, diese Schwelle zu erreichen. Denn organische Solarzellen sind vielversprechend und ein wichtiger Baustein, wenn es um die 100-prozentige Versorgung mit erneuerbaren Energien geht. Gründe dafür liegen in den vergleichsweise geringen Herstellungskosten, dem Verzicht auf giftige Stoffe und der flexiblen Gestaltung, die den vielseitigen Einsatz der Technik ermöglicht. Finden Forscher die richtige Materialzusammensetzung, um den Wirkungsgrad zu steigern und eine hohe Langzeitstabilität zu erreichen, könnten Module mit organischen Halbleitern kristalline Solarzellen in Zukunft verdrängen.