Organische Solarzellen: die Zukunft von Photovoltaik?

Kai Janßen
Zuletzt aktualisiert:
22/08/2021
Kategorie: Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen im Gegensatz zu konventionellen Photovoltaikzellen nicht aus Siliziumhalbleitern. Stattdessen werden organische, also kohlenstoffhaltige, Verbindungen eingesetzt. Die Herstellung organischer Solarzellen ist besonders kostengünstig und energieeffizient. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad derzeit noch sehr begrenzt.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen

Wie funktionieren organische Solarzellen? 

Solarzellen können aus Lichtenergie Strom erzeugen. Dies geschieht mittels eines Halbleiters. Bei konventionellen Zellen besteht dieser aus hochreinem Silizium, dessen Herstellung sehr aufwendig und energieintensiv ist, wodurch sehr hohe Kosten verursacht werden.

Demgegenüber sind in organischen Solarzellen keine Siliziumhalbleiter verbaut. In diesen Zellen findet die Stromerzeugung stattdessen in organischen, also kohlenstoffhaltigen, Molekülen statt.

In einer organischen Solarzelle werden sehr feine Schichten organischer Moleküle auf ein Trägermaterial aufgetragen. Diese Schichten fungieren als Elektronendonor- oder –akzeptor. Die eigentliche Stromproduktion findet an der Grenzfläche zwischen Donor- und Akzeptorschicht statt, weshalb organische Solarzellen auch unter dem Begriff „Heterojunction-Zellen“ bekannt sind.

Welche organischen Materialien sich besonders gut für die Herstellung von Solarzellen eignen ist derzeit noch Gegenstand der Forschung. Schließlich müssen die verwendeten Materialien nicht nur einen hohen Stromertrag, sondern auch eine ausreichende Langlebigkeit der Zelle gewährleisten. Darüber hinaus müssen die gewählten Halbleiter auch zu den verwendeten Anschlusselektroden passen, damit der Strom effizient abtransportiert und genutzt werden kann.

Die einzelnen Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die kleine "Kraftwerke" der PV-Anlage sind. Erfahren Sie alles über Solarzellen und lernen über den Aufbau, die Funktionsweise und welche Arten es gibt.

Mehr lesen

Vor- und Nachteile organischer Solarzellen

Der Herstellungsprozess von organischen Solarzellen ist sehr energie- und ressourcenarm. Hierdurch fällt die Treibhausgasbilanz dieser Zellen besonders gut aus. Deshalb besitzen sie auch einen sehr frühen energetischen Amortisationspunkt. An diesem Punkt entspricht die mit der Solarzelle erzeugte Energiemenge dem Energieaufwand ihrer Herstellung.

Zusätzlich werden bei der Produktion von organischen Solarzellen, im Gegensatz zu konventionellen siliziumbasierten Zelltypen, keine gefährlichen und besonders umweltschädlichen Stoffe verwendet. Aus diesem Grund sind organische Solarzellen nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch kostengünstiger in der Entsorgung.

Durch die Energie- und Ressourceneinsparungen im Herstellungsprozess sind organische Solarzellen sehr günstig.

Neben diesen Vorteilen ist auch die hohe Verformbarkeit organischer Zellen besonders positiv zu bewerten. Somit können sie in anderen Nutzungsbereichen wie starre Siliziumzellen verwendet werden.

Allerdings gibt es dank der Dünnschichttechnik auch siliziumbasierte Solarzellen, die ebenfalls flexibel sind. Organische Solarzellen besitzen ein vergleichsweise gutes Schwachlichtverhalten und können deshalb auch in Bereichen eingesetzt werden, bei denen die Lichteinstrahlung suboptimal ist.

Ein weiterer Vorteil organischer Solarzellen besteht darin, dass sie transparent beziehungsweise halbtransparent hergestellt werden können. Somit eignen sie sich auch für den Einsatz auf Glasflächen.

Der wichtigste Nachteil organischer Solarzellen, der ihre weitere Verbreitung derzeit am meisten einschränkt, besteht in ihrem geringen Wirkungsgrad.

Massentaugliche Zellen können nur 6 bis 7% des eingestrahlten Lichts in Strom umwandeln. Siliziumbasierte Zelltypen verfügen teilweise über einen 3,5-fach so hohen Wirkungsgrad.

Zusätzlich gibt es noch keine Langzeiterfahrungen mit der neuen Technologie der organischen Solarzellen. Insbesondere ist die zu erwartende Lebensdauer von organischen Solarpaneelen noch nicht seriös abschätzbar. Allerdings sprechen viele Faktoren dafür, dass sie erheblich kürzer ist, als diejenige von siliziumbasierten Zelltypen.

Damit die vielfältigen Vorteile organischer Solarzellen für den breiten Massenmarkt verfügbar werden, müssen folglich insbesondere technische Fortschritte bezüglich ihres Wirkungsgrads und der Langlebigkeit ihrer Bauteile erzielt werden. Denn nur so besteht die Möglichkeit, dass sich diese neue Technologie langfristig gegen konventionelle Solarzellen durchsetzen kann.

Wie werden organische Solarzellen hergestellt?

Die Herstellungsweise organischer Solarzellen unterscheidet sich sehr stark von der Herstellung von siliziumbasierten Photovoltaikmodulen und stellt den größten Vorteil dieser neuen Technologie dar.

Dabei gibt es unterschiedliche Typen organischer Solarzellen, die sich in ihrer Herstellungsweise unterscheiden. So gibt es zum einen organische Farbstoffzellen.

Zur Herstellung dieses Zelltypus werden hauchdünne Schichten organischer Moleküle auf anorganische Nanopartikel aufgebracht. Diese fungieren als Elektronenakzeptor und verfügen an ihrer Oberfläche über organische Farbstoffmoleküle.

Zum anderen gibt es die Klasse der Feststoffzellen. Bei diesem Typ werden Zellen mit kleinen organischen Molekülen und solche mit großen Makromolekülen unterschieden.

Bei erstgenannten Zellen werden die organischen Moleküle durch Hochvakuum-Sublimation auf das Trägermaterial aufgebracht.

Makromolekulare Materialien hingegen werden aus einer Lösung auf dem Substrat abgeschieden. Dies erfolgt häufig im sogenannten „Spin-Coating-Verfahren“. Hierbei wird die Lösung auf ein rotierendes Substrat getropft. Sowohl für kleine als auch große Moleküle kommen ebenfalls Drucktechniken infrage.

Welche Hersteller von organische Solarzellen gibt es? 

Derzeit gibt es noch sehr wenige Hersteller von massentauglichen organischen Solarzellen. Zu den bekanntesten gehören die Firmen ARMOR solar power films und Heliatek. Allerdings ist damit zu rechnen, dass in Zukunft neue Akteure am Markt tätig werden.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad organischer Zellen?

Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen ist derzeit noch relativ gering. In der Massenproduktion werden hierbei lediglich Werte von maximal 6 bis 7% Prozent erreicht. Monokristalline Solarzellen auf Siliziumbasis können demgegenüber bis zu 25% der Energie des Lichts zur Stromproduktion nutzen. Diese Effizienzgrade werden derzeit noch nicht einmal von einzelangefertigten organischen Solarzellen erreicht, denn diese erzielen lediglich Wirkungsgrade von 15 bis 17%.

Monokristalline Solarzellen sind die effizienteste Art von Solarzellen auf dem heutigen Markt. Sie sind teuer, verfügen jedoch über eine hohen Wirkungsgrad.

Mehr lesen

Sind organische Zellen die Zukunft?

Organische Solarzellen stecken derzeit noch in den Kinderschuhen. Deshalb ist eine abschließende Prognose zu den Zukunftsperspektiven dieser neuen Technologie schwierig zu treffen.

Prinzipiell verfügen organische Solarzellen über sehr viel Potenzial, weshalb vermutet werden kann, dass sie sich am Markt etablieren werden.

In naher und mittlerer Zukunft werden organische Solarzellen bezüglich ihres Ertragspotenzials kaum mit siliziumbasierten Zellen konkurrieren können. Deshalb ist zu erwarten, dass sich das Verwendungsgebiet für organische Solarzellen in naher Zukunft auf Gebiete konzentriert, in denen besonders günstige und flexible Solarzellen gefragt sind.

Allerdings gibt es Dank der Dünnschichttechnik auch flexible Solarzellen auf Siliziumbasis. Ob sich organische Solarzellen langfristig durchsetzen werden, hängt deshalb auch stark davon ab, ob sie sich gegen Dünnschichtmodule behaupten können.

Sofern organische Photovoltaikzellen in ferner Zukunft bezüglich ihres Wirkungsgrads mit siliziumbasierten Zelltypen konkurrieren können, können sie diese auch in Anwendungsgebieten mit begrenzter Nutzungsfläche wie beispielsweise bei Dachflächenanlagen verdrängen.

Eventuell könnten organische Solarzellen siliziumbasierte Modelle sogar bezüglich des Wirkungsgrades übertreffen. Denn letztgenannte besitzen einen technisch maximal möglichen Wirkungsgrad von 30%. Organische Solarzellen sind diesbezüglich nicht limitiert, da theoretisch verschiedene Halbleiterschichten kombiniert werden können. Diese könnten unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren und deshalb einen erheblich höheren Anteil des Lichts zur Energiegewinnung nutzen.

Allerdings ist dabei darauf zu achten, dass besonders energiereiches ultraviolettes Licht langfristig die verwendeten organischen Moleküle zerstört und sich somit negativ auf die Lebensdauer der Paneele auswirkt. Deshalb kann es unter Umständen sinnvoll sein, diesen Teil des Lichtspektrums bewusst nicht energetisch zu nutzen.

Verwandte Artikel: 

Aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit am Markt und des geringen Preises erfreuen sich polykristalline Solarzellen einer großen Beliebtheit und nehmen derzeit einen Marktanteil von circa 70% ein.

Mehr lesen

Monokristalline und polykristalline Solarzellen sind die beiden bedeutsamsten Zelltypen. Sie unterschieden sich insbesondere in ihrem Wirkungsgrad.

Mehr lesen
>