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Forscher steigern Wirkungsgrad Organischer PV-Zellen auf größerer Zellfläche

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISEFreiburg - Organische Solarzellen bestehen aus kostengünstigen Materialien und sind leicht herzustellen. Zwar ist der Wirkungsgrad im Vergleich zu Silizium-Solarzellen noch niedrig, doch die Forschung holt in diesem Bereich kontinuierlich auf.

Die Forschung im Bereich der Organischen Photovoltaik arbeitet mit Nachdruck daran, die Wirkungsgrade weiter zu erhöhen. Neue Materialien aus der synthetischen organischen Chemie haben in den letzten Jahren deutliche Steigerungen des Wirkungsgrads ermöglicht. Das Fraunhofer ISE verzeichnet jetzt zusammen mit dem Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg mit 14,9 Prozent einen Rekordwert für organische Solarzellen mit mindestens 1 cm2 Fläche.

Neue Materialien liefern mehr Strom
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet seit vielen Jahren in enger Kooperation mit dem Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg an organischen Solarzellen und -modulen. Ein Fokus der Forschungsarbeiten liegt darauf, kostengünstige und umweltfreundliche Materialien einzusetzen und ebensolche Prozesse für die Aufskalierung mittels Rolle-zu-Rolle Verfahren zu entwickeln, um dann Solarmodule quasi wie Folien zu produzieren.

Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen wie beispielsweise aus kristallinem Silicium besteht die Absorberschicht organischer Solarzellen nicht aus einem Material, sondern aus einem sogenannten Donor/Akzeptor Materialgemisch. Aufgrund von deutlichen Energieverlusten und einer limitieren Ausnutzung des Sonnenspektrums der in der Vergangenheit zumeist als Akzeptor verwendeten Fullerene werden inzwischen Moleküle verwendet, die den Donormaterialien deutlich ähnlicher sind. Weil die neuen Akzeptoren nun selbst starke Absorber sind, konnte der Strom der organischen Solarzellen erheblich gesteigert werden. Parallel dazu wurden die energetischen Niveaus von Donor und Akzeptor besser aneinander angepasst, so dass zugleich die Spannung erhöht wurde. So konnten weltweit inzwischen mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien vielversprechende Wirkungsgrade erzielt werden.

Wirkungsgradsteigerung auf größerer Zellfläche
Allerdings geschieht das im Allgemeinen auf sehr kleinen Zellflächen von oft nur einigen Quadratmillimetern. Aus diesem Grund haben die Forscher*innen am Fraunhofer ISE bereits vor einiger Zeit ein Zell-Layout entworfen, das den photogenerierten Strom sehr effizient von der aktiven Zellfläche ableitet. „Als wir nun hohe Wirkungsgrade mit einem kommerziellen Absorbermaterial auf kleinen Laborzellen erreichten, wollten wir wissen, ob sich das auch auf der größeren Fläche von 1,1 cm2 realisieren lässt. Die Ergebnisse stellten uns sehr zufrieden, da wir keinerlei Einbußen zu verzeichnen hatten“, so Dr. Birger Zimmermann, Teamleiter für Produktionstechnologie Organischer Solarzellen am Fraunhofer ISE. Die zertifizierte Messung im CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE ergab dann den Rekordwert von 14,9 Prozent.

Nachdem zunächst auf kleiner Fläche in Laborprozessen das Potenzial der neuartigen organischen Absorbermaterialien gezeigt werden konnte, müssen nun anschließend Wege gefunden werden, wie sich dieses Potenzial möglichst vollständig in großflächige, leistungsfähige Module umsetzen lässt. „Gemeinsam mit Industriepartnern werden wir die Organische Photovoltaik weiter zur Marktreife führen“, sagt Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett. „Diese Technologie, mit ihren flexiblen Anwendungsmöglichkeiten ist langfristig ein wichtiger Baustein für den dringend notwendigen Ausbau der Photovoltaik als wichtigstem Pfeiler der Energiegewinnung in einem nachhaltigen System“.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekts „H2OPV – Organische Photovoltaik zur Abdeckung von Wasserreservoiren“ durchgeführt.


© IWR, 2020


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