Organische Solarzellen

Organische Solarzellen basieren auf demselben Funktionsprinzip wie kristalline Photovoltaik Module: Ein Halbleiter geht durch die Absorption von Licht von nicht leitenden in den leitenden Zustand über. Gegenwärtig ist der Wirkungsgrad organischer Solarzellen noch vergleichsweise niedrig, aber das Potenzial für zukünftige Steigerungen ist sehr hoch.

Der Begriff „organisch“ stammt aus der Chemie und bedeutet lediglich, dass es sich um Kohlenstoffverbindungen handelt. Organische Halbleiter können in unzähligen Varianten hergestellt werden und das größte Problem der Forschung auf diesem Gebiet besteht darin, die optimalen Materialien zu finden. Im Wesentlichen funktioniert das noch immer nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“, weil die Prozesse in einer Solarzelle sehr komplex sind und der Wirkungsgrad nur sehr ungenau theoretisch vorhersagbar ist.

Die Wahl der optimalen Materialien ist deswegen so kompliziert, weil zahlreiche gänzlich unterschiedliche Eigenschaften ihre Effizienz bestimmen. Wichtig ist zunächst, dass der Halbleiter einen möglichst großen Anteil des optischen Spektrums zur Stromerzeugung nutzen kann.

Darüber hinaus ist es von großer Bedeutung, dass die durch das Licht erzeugten freien Leitungselektronen sich nicht sofort wieder mit den Atomen verbinden. Schließlich soll auch der elektrische Widerstand möglichst gering sein, damit nicht ein großer Teil des erzeugten Stroms in Wärme umgewandelt wird. Zu allem Überfluss muss der organische Halbleiter auch noch zu den verwendeten Anschlusselektroden passen, damit an der Übergangsfläche keine großen Stromverluste auftreten.

Und zu guter Letzt soll das Material auch noch eine große Lebensdauer aufweisen. An dieser Stelle wird exemplarisch deutlich, dass diese Zielvorgaben schwer miteinander vereinbar sind und daher Kompromisse erforderlich sind: Einerseits soll möglichst viel Licht absorbiert werden, andererseits werden aber durch Absorption des besonders energiereichen ultravioletten Lichts die Kohlenstoffverbindungen zerstört, was zu einer schnellen Zersetzung des Materials führt.

Momentan liegt der Wirkungsgrad organischer Solarzellen in der Massenproduktion unter zehn Prozent, typisch sind sieben bis acht Prozent. Einzelanfertigungen in Forschungslaboratorien überspringen die Hürde von zehn Prozent, sind aber in der Herstellung noch so aufwändig, dass der Kostenvorteil dieser Technologie dadurch verloren ginge. Wie sich der Wirkungsgrad organischer Zellen in den nächsten Jahren entwickeln wird, ist schwer absehbar. Herkömmliche kristalline Siliziummodule, die gegenwärtig einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent erreichen, sind in ihrer Entwicklung beschränkt. Sie können aus physikalischen Gründen nur etwa 30 Prozent der einfallenden Sonneneinstrahlung nutzen, was dem möglichen Wirkungsgrad relativ enge Grenzen setzt.

Eine solche obere Schranke existiert für organische Solarzellen nicht. Das liegt zunächst daran, dass ständig neue Materialien entwickelt werden, deren genaue Eigenschaften heute noch niemand kennen kann. Es liegt aber auch daran, dass sogenannte Tandem-Solarzellen sehr viel einfacher und billiger zu realisieren sind. Tandem-Solarzellen bestehen aus mehreren übereinander liegenden Schichten von Halbleitern, die unterschiedliche Teile des Lichtspektrums nutzen. Organische Halbleiter werden in dünnen Schichten aufgedampft. Mehrschichtige Solarzellen können daher deutlich einfacher hergestellt werden.

Langfristig mit Sicherheit! Betrachtet man die Entwicklung der letzten Jahre, so ist es schwer vorstellbar, dass in 50 Jahren noch jemand schwere Siliziummodule auf dem Dach montiert. Kurz- und mittelfristig werden beide Technologien parallel existieren. Organische Solarzellen werden vollkommen neue Einsatzmöglichkeiten für die Photovoltaik erschließen.

Diese Solarzellen bestehen aus dünnen und nahezu unsichtbaren Folien, die vielseitig einsetzbar sind. Sogar Kleidung kann so beschichtet werden, wodurch die Jacke zum Ladegerät für das Smartphone wird. Auf absehbare Zeit sind aber kristalline Photovoltaik Module im Bereich der Freiflächenanlagen noch konkurrenzlos. Sie nutzen aufgrund des derzeit noch deutlich höheren Wirkungsgrads die zur Verfügung stehende Fläche besser aus. Die deutlich höhere Lebensdauer bietet darüber hinaus eine langfristige Investitionssicherheit.

Organische Solarzellen sind eine billige und flexibel einsetzbare Alternative zu kristallinen Modulen, weisen allerdings eine deutlich geringere Leistung und eine ebenfalls deutlich kürzere Lebensdauer auf. Wie bei vielen anderen Technologien kann man bei der Einschätzung des zukünftigen Potenzials einen optimistischen und einen pessimistischen Standpunkt einnehmen. Der pessimistische Standpunkt hebt darauf ab, was mit heutigem Wissen erreichbar ist. Mit heutigem Wissen ist völlig unklar, wie die Leistung kristalliner Module überhaupt erreicht werden soll, geschweige denn deutlich übertroffen werden könnte.

Der optimistische Standpunkt fragt, welche aus naturwissenschaftlicher Sicht nicht zu überwindenden Grenzen der Technologie gesetzt sind und vertraut ansonsten darauf, dass alle prinzipiell lösbaren Probleme irgendwann auch tatsächlich gelöst werden. So betrachtet ist das Potenzial organischer Solarzellen immens.