Organische Solarzellen: Funktion, Wirkungsgrad, Hersteller

Kai Janßen
Zuletzt aktualisiert: 17/05/2024
Kategorie: Solarzellen

Organische Solarzellen sind flexibel, günstig, umweltfreundlich und leicht zu installieren. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad derzeit noch begrenzt. In diesem Artikel erfahren Sie alles über die Funktionsweise, Hersteller und Einsatzgebieten von organischen Solarzellen.

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Was sind organische Solarzellen und wie sind sie aufgebaut?

Organische Solarzellen verwenden Kohlenstoffverbindungen anstelle von Silizium-Halbleitern. Dabei werden dünne Schichten aus organischen Molekülen auf einem Trägermaterial aufgetragen. Diese Schichten dienen entweder als Elektronendonatoren oder -akzeptoren. Der Strom wird an der Grenzfläche zwischen der Donator- und der Akzeptorschicht erzeugt, was ihnen den Namen "Heterojunction-Zellen" einbrachte.

Weil organische Solarzellen aus Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt werden, sind sie gemeinhin als "Kunststoff-" oder "Kunststoffsolarzellen" bekannt. Für diese Solarzellen werden verschiedene organische Verbindungen, darunter konjugierte Polymere und speziell synthetisierte Hybridstrukturen wie Kupferphthalocyanin, verwendet.

Wie funktionieren organische Solarzellen?

Genau wie herkömmliche Zellen wandeln organische Solarzellen Lichtenergie mithilfe von Halbleitern in Strom um. Anders als poly- oder monokristalline Solarzellen nutzen sie keine Silizium-Halbleiter. Stattdessen erzeugen sie Strom aus organischen Molekülen, die Kohlenstoff enthalten.

Aufbau und Funktion einer organischen Solarzelle

Das Diagramm zeigt Schichten zwischen zwei Elektroden - die Kathode unten und die Anode oben. Licht gelangt durch transparente Schichten zur Elektronentransportschicht (ETL). Die Elektronen absorbieren Photonen, brechen aus und bewegen sich zur Leitungsschicht (HTL). Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die einen Photostrom erzeugt. Dieser Prozess erhöht die Ausbeute in der Materialschicht.

Derzeit wird noch geforscht, welche organischen Materialien sich am besten für die Herstellung von Solarzellen eignen. Diese Materialien müssen eine hohe Stromleistung und eine lange Lebensdauer der Zellen gewährleisten. Die Halbleiter müssen gut mit den Elektroden zusammenarbeiten, damit sie Strom effizient transportieren und nutzen. 

Wie werden organische Solarzellen hergestellt?

Organische Solarzellen werden anders hergestellt als PV-Module auf Siliziumbasis. Dieser Unterschied ist der Hauptvorteil dieser neuen Technologie. Es gibt verschiedene Arten von organischen Solarzellen, die jeweils auf unterschiedliche Weise hergestellt werden:

  • Organische Farbstoffzellen: Bei dieser Art von Zellen werden dünne Schichten organischer Moleküle auf anorganische Nanopartikel aufgebracht. Die Nanopartikel dienen als Elektronenakzeptoren und tragen organische Farbstoffmoleküle auf ihrer Oberfläche. Die organischen Moleküle werden durch Hochvakuum-Sublimation auf das Trägermaterial aufgebracht;
  • Feststoffzellen: Diese Zellen werden anhand ihrer Größe und der in ihnen enthaltenen Moleküle klassifiziert. Drucktechniken werden sowohl für kleine als auch für große Moleküle verwendet. Makromolekulare Materialien werden aus einer Lösung auf ein Substrat aufgebracht, in der Regel durch das sogenannte „Spin-Coating-Verfahren“.

Welche Hersteller von organischen Solarzellen gibt es?

Organische Solarzellen sind eine zukunftsfähige Technologie und zum jetzigen Zeitpunkt nicht massentauglich. Viele Hersteller forschen noch an den besten Materialien hinsichtlich Wirkungsgrad und Haltbarkeit. Dennoch produzieren ARMOR solar power Films und Heliatek bereits diese Art von Solarzellen. 

Welchen Wirkungsgrad erreichen organische Solarzellen?

Organische Solarzellen erreichten jüngst unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von maximal 19%. Unter realen Bedingungen erreichen sie lediglich einen Wirkungsgrad von 10 bis 12%. Im Vergleich, herkömmliche kristalline Solarzellen kommen auf Wirkungsgrade von bis zu 25%. 

Der geringe Wirkungsgrad von organischen Solarzellen ist derzeit der größte Nachteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen. 

Was sind die Vor- und Nachteile von organischen Solarzellen?

Besonders interessant an den organische Solarzellen ist die einfache und umweltfreundliche Herstellung. Aufgrund ihres Aufbaus sind sie flexibel und gestaltungsfähig, was ihre Einsatzmöglichkeiten fast unbegrenzt macht. Zudem haben sie ein besseres Schwachlichtverhältnis, wodurch sie mehr Ertrag bei schlechtem Witterungsverhältnis erzeugen. Dennoch erreichen sie derzeit nur geringe Wirkungsgrade und haben eine kürzere Haltbarkeit.

Voreile von organischen SolarzellenNachteile von organischen Solarzellen
einfache und umweltfreundliche Herstellunggeringer Wirkungsgrad
flexible Modulekürzere Lebensdauer
zahlreiche Einsatzmöglichkeitenhöherer Platzbedarf
geringes Gewicht
gutes Schwachlichtverhältnis

Wo werden organische Solarzellen eingesetzt?

Die Einsatzgebiete für organische Solarzellen sind vielseitig. Sie werden für die gleichen Anwendungen wie herkömmliche Solarzellen eingesetzt. Allerdings benötigen Sie aufgrund des geringeren Wirkungsgrads mindestens doppelt so viel Installationsfläche. Sie eignen sich also an Standorten, wo besonders viel Platz vorhanden ist, zum Beispiel an Industriehallen.

Darüber hinaus eignen sich organische Solarzellen besonders für mobile Solarmodule. Sie sind besonders leicht, flexibel und deswegen einfach zu transportieren.

Wie sehen die Zukunft und Aussichten von organischen Solarzellen aus?

Organische Solarzellen sind eine sich entwickelnde Technologie, sodass eine Vorhersage ihrer Zukunftsaussichten schwierig ist. Dennoch wird ihnen ein großes Potenzial zugeschrieben.

Kurz- und mittelfristig ist nicht damit zu rechnen, dass organische Solarzellen in Bezug auf das Ertragspotenzial mit Zellen auf Siliziumbasis konkurrieren. Es ist wahrscheinlich, dass der Schwerpunkt für organische Solarzellen in der nahen Zukunft in Bereichen liegt, in denen eine Nachfrage nach preiswerten und flexiblen Solarzellen besteht.

Vielmehr scheinen organische Solarzellen interessant für Tandem-Solarzellen. Hier werden mehrere Arten von Solarzellen kombiniert, wodurch ein breiteres Spektrum des Lichts aufgenommen wird. Das steigert den Wirkungsgrad erheblich. Diese Technologie befindet sich ebenfalls noch in der Forschung.

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