Pictures of the Future Frühjahr 2005
Organische Solarzellen, Konarka
Solarstrom aus Plastik
Eine Folie aus Kunststoff, die ein Radio am Strand betreibt – diese Vision ist mit Solarzellen aus organischen Materialien in greifbare Nähe gerückt. Konarka, einer der führenden Hersteller dieser Bauteile hat Verstärkung von Siemens bekommen und wird noch 2005 erste Prototypen auf den Markt bringen.
Biegsame Folie mit spannendem Innenleben: Mit solchen Solarzellen aus organischem Material lassen sich tragbare Geräte mit Strom versorgen. Die Produktion findet in Reinräumen statt (oben)
Sie sehen aus wie zu groß geratene Kleinbildnegative, ähneln aber eher den Blättern von Pflanzen. Sie gewinnen Energie aus Sonnenlicht und bestehen aus organischem Material: Die Rede ist von organischen Solarzellen. Anders als ihre anorganischen Geschwister aus Silizium, die 95 % des Markts beherrschen, sind diese Kunststoffe schneller und weit preisgünstiger zu produzieren, weil es bei ihnen nicht nötig ist, hochreine Kristalle zu züchten. Sie bieten daher die Chance für völlig neue Anwendungen – beispielsweise dünne Folien, die kleine Geräte mit Strom versorgen.
Solarzellen aus organischen Halbleitern hatten anfangs nur sehr geringe Wirkungsgrade von kaum 1 %, gegenüber 14 bis 17 % bei marktüblichen Silizium-Solarzellen. Der Grund: Im Kunststoff erzeugen einfallende Photonen nicht sofort Elektronen, sondern angeregte Zustände, die erst noch in freie Ladungsträger umgewandelt werden müssen. Den Durchbruch brachte die Nanotechnik. Ein Team bei Siemens in Erlangen mischte Fullerene – das sind Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen, die einem Minifußball ähneln – in eine Matrix aus polymeren Halbleitern. Eingestrahltes Licht setzt im Kunststoff Elektronen frei, die von den Fullerenen eingefangen und an eine Elektrode abgeleitet werden. Damit erreichten die Forscher Anfang 2004 erstmals einen Wirkungsgrad von 5 % – Weltrekord.
"Inzwischen sind 10 % in greifbare Nähe gerückt. Doch wir wollten nicht nur einen Rekord nach dem anderen aufstellen", sagt Dr. Christoph Brabec, der die Forschungen bei Siemens Corporate Technology leitete. "Wir wollten Produkte herstellen." Da Siemens seine Solarzellenaktivitäten bereits 2002 an Shell Solar abgetreten hatte, forschte Brabec mit seinem Team zunächst überwiegend an Photodetektoren. Damit ließ sich aber das Potenzial dieser Technologie nicht völlig nutzen. So entschied man sich, einen externen Partner einzubinden, der das nötige Anwendungs-Know-how besitzt. Seit August 2004 führt die US-Firma Konarka das Geschäft mit den organischen Solarzellen weiter. Brabec wechselte mit fünf Kollegen zu dem Unternehmen, zu dem bereits aus einer früheren Kooperation gute Verbindungen bestanden. Konarka ist in der organischen Photovoltaik weltweit führend. Es wurde 2001 von Alan J. Heeger mitgegründet. Er hatte Anfang der 1980er Jahre mit Partnern die leitenden Kunststoffe entdeckt und dafür 2001 den Nobelpreis erhalten. "Wir sind froh, dass wir mit Christoph Brabec zusammenarbeiten können", sagt Heeger. "Zusammen mit meinem Kollegen Serdar Sariciftci haben wir nun drei der anerkanntesten Pioniere der Erforschung leitender Polymere in einem Team."
Einfaches Drucken. Brabec und sein Team arbeiten nun in Linz und Nürnberg, der Europazentrale von Konarka, das seinen Firmensitz in Lowell, Massachusetts (USA), hat. "Wir kommen von der Elektronik- und Halbleiterseite", erzählt Brabec. "Wir ergänzen uns hervorragend mit den Materialwissenschaftlern und Chemikern bei Konarka". Die Firma will unterschiedliche Arten von organischen Solarzellen auf den Markt bringen. Erste Produktionslinien werden derzeit aufgebaut, und Prototypen so genannter farbstoff-sensibilisierter Zellen sollen Ende 2005 ausgeliefert werden. Die Forscher arbeiten intensiv daran, auch mehrschichtige Solarzellen und solche, die aus Verbundstoffen zweier organischer Materialien bestehen (siehe Kasten), zur Marktreife zu bringen. Dazu müssen sie die idealen Kombinationen von Kunststoffen und ihren Schichtdicken finden sowie Materialien optimieren, die einen breiten Bereich des Sonnenspektrums – etwa auch Infrarot – in Strom verwandeln können.
Der Reiz der organischen Solarzellen liegt vor allem darin, dass sie in einer unkomplizierten Drucktechnik hergestellt werden können. Die einzelnen Kunststoffschichten werden wie bei einer Buchdruckmaschine nacheinander auf einen Träger aufgebracht. Weil Schmutzpartikel in den nanometerdünnen Schichten zu Kurzschlüssen führen können, braucht man sehr saubere Arbeitsbedingungen.
Erstes Ziel ist nicht die Ablösung der bestehenden Technik, also kein Ersatz für die Solarzellen auf dem Hausdach. Konarka setzt vielmehr auf die ungewöhnlichen Eigenschaften der neuen Module. Da sie eingefärbt werden können und auch leicht verformbar sind, eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten: In die Kleidung integrierte Solarzellen könnten elektrische Geräte am Körper versorgen, wie Handys oder tragbare Musikgeräte. Bunte Markisen könnten Strom liefern. In anderen Anwendungen könnten die Zellen für unbemannte Fahrzeuge, Zelte oder Batterieladegeräte eingesetzt werden. Da die Solarzellen kompakt verstaut und überall wieder entfaltet werden können, könnten sie künftig auch Akkus von Notebooks oder Handys aufladen – selbst in Gebäuden, denn organische Solarzellen können, anders als kristalline Halbleiter, ein breites Lichtspektrum effizient umwandeln; sie funktionieren daher sogar bei Kunstlicht.
Es sind vor allem drei Faktoren, die den künftigen Erfolg dieser Solarzellen bestimmen werden: Ihr Preis, ihr Wirkungsgrad und ihre Lebensdauer. Da bei ihrer Produktion auf komplizierte Kristallzüchtungsanlagen im Hochvakuum verzichtet werden kann, werden die Kosten vielleicht nur noch ein Fünftel der auf reinem Silizium basierenden Zellen betragen. Den Wirkungsgrad wollen die Forscher weiter steigern. Die Lebensdauer ist allerdings noch kritisch, weil die Zellen anfällig für Oxidation und Feuchtigkeit sind. Außerdem gibt es weder Langzeiterfahrungen noch genormte Testverfahren, um die Langlebigkeit flexibler Zellen zu bestimmen.
Ziele für die nahe Zukunft sind Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 5 %, die wenigstens drei Jahre funktionieren und großtechnisch hergestellt werden können. Damit könnten sich Konarkas organische Solarzellen in der Consumer-Elektronik durchsetzen. "Und wer weiß, vielleicht erobern wir in fünf bis zehn Jahren sogar den Markt der Stromerzeugung und spannen unsere Stromfolien dann über alle Dächer", meint Brabec lachend.
Bernhard Gerl
So funktioniert eine organische Solarzelle
Klassische Solarzellen bestehen aus zwei Halbleiterschichten, an deren Grenzfläche sich ein elektrisches Feld aufbaut. Einfallende Photonen setzen Ladungsträger – Elektronen und Löcher (das sind fehlende Elektronen) – frei, die zu den metallischen Anschlusskontakten der Zelle geleitet werden: Strom fließt durch einen äußeren Stromkreis. Auch organische Halbleiter können durch Photonen angeregt werden. Nach der Lichtabsorption bilden sich aber nicht sofort freie Elektronen, sondern Exzitonen – das sind Elektron-Loch-Paare, die durch elektromagnetische Kräfte verbunden sind und erst noch getrennt werden müssen. Das funktioniert analog mit zwei Schichten – eine, die leicht Elektronen abgibt (ein Donor) und eine, die sie aufnimmt (ein Akzeptor). Wandert ein durch Photoanregung entstandenes Exziton an die Grenzfläche zwischen beiden Schichten, gibt der Donor ein Elektron an den Akzeptor ab. Die Ladungsträger werden zu den äußeren Elektroden abgeleitet und das Bauteil liefert Strom. Statt mit mehreren Schichten zu arbeiten, sind auch Verbundstoffe aus zwei organischen Materialien möglich (Grafik). Im Verbund sind Donor- und Akzeptor-Substanzen vermischt, die jeweils als Loch- und Elektronenleiter dienen. So wird das gesamte Volumen der Solarzelle genutzt. In den erfolgreichsten organischen Solarzellen dient ein konjugiertes Polymer, z.B. Poly-(3-Hexylthiophen) als Donor und ein Fulleren als Akzeptor.
