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Dienstag, 12. Dezember 2017

Photovoltaik

Forscher testen vielversprechenden Ersatz für kritische Materialien in organischer Photovoltaik

Von Ariane Rüdiger/Stephan W. Eder | 27. September 2013 | Ausgabe 39

Schon länger arbeitet die Forschung daran, sich bei organischer Photovoltaik von dem teuren und nicht umweltfreundlichen Indiumzinnoxid, kurz ITO, als Material für transparente Elektroden zu verabschieden. Jetzt sind im Rahmen des von der EU geförderten Projekts HiFlex erste Demogeräte entstanden: 250 Laserpointer, die mit Strom aus integrierten organischen Solarzellen versorgt werden.

Im Rahmen des europäischen Photovoltaik-Forschungsverbundes Sophia RI (Sophia European Research Infrastructure) wird auch an Projekten zur organischen Photovoltaik geforscht. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Solarzellen kommen hier leitende Kunststoffmaterialien zum Einsatz. Als Substrat, auf die die Zellen aufgebracht werden, dient Plastikfolie.

Die potenziellen Vorteile der siliziumfreien Solarzellentechnologie sind verlockend: Die Materialien und Produktionsprozesse versprechen bei Massenproduktion geringere Kosten als die Silizium-Halbleitertechnik. Es wird nur wenig Material verwendet, die Photovoltaikflächen sind farblich und in der Form nahezu beliebig gestaltbar, das Gewicht ist gering.

Allerdings hapert es noch an der Energieeffizienz der Zellen. Heute liegt sie im Labor höchstens bei rund 11 %. Zweiter Knackpunkt ist die Haltbarkeit. Drittens werden zum Teil kritische oder seltene Materialien verwendet, beispielsweise Indiumzinnoxid, kurz ITO (Indium Tin Oxid). Indium ist relativ rar und beim Abbau mit großen Umweltschäden behaftet. Weil es vergleichsweise teuer ist, treibt es die Gesamtkosten der organischen Photovoltaik nach oben.

Das Sophia-Projekt HiFlex strebt an, ITO sowie gegebenenfalls auch Edelmetalle wie Silber als Elektrode zu ersetzen oder ihren Verbrauch zu minimieren. Anstelle von ITO sollen besser verfügbare Materialien und Materialkombinationen stehen.

ITO ist transparent und leitend – eine attraktive und seltene Eigenschaftskombination. Sie hat das Material weltweit zum Standard für diese Zwecke in der Elektronik gemacht. Anders wären die heute überall präsenten Flachbildschirme nicht zu fertigen. Das macht ITO begehrt und somit teuer. Daher der Ansatz des Forschungsverbundes, die organische Photovoltaik als zukünftigen Massenmarkt unabhängig von diesem Material zu konzipieren.

Weitere Ziele der Forscher beim Hi-Flex-Projekt sind eine hohe Energieausbeute, eine mit Silizium vergleichbare Haltbarkeit und ökologisch-ökonomisch optimierte Produktionsprozesse. Vor allem sollen möglichst viele energieaufwendige Schritte – wie Vakuumprozesse – durch andere ersetzt werden.

Im Mittelpunkt standen bei HiFlex mobile Indoor-Anwendungen für organische Photovoltaik. Es wurde nach Materialien für die organischen Solarzellen gesucht, die bei typischer Innenraumbeleuchtung die meiste Energie erzeugen, zum Beispiel um ein Handy, einen Taschenrechner oder ähnliche Geräte zu powern.

Dafür untersuchten die Forscher zunächst mehrere unterschiedlich aufgebaute organische Photovoltaik-Zelltypen, berichtet Sjoerd Veenstra vom niederländischen Energieforschungszentrum ECN, das das Projekt koordinierte. ITO wurde dabei durch Pedot:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen) ersetzt, eine Kunststoffverbindung. Sie gilt aufgrund ihrer Eigenschaften als ein Kandidat, um ITO abzulösen (s. Kasten). Darauf aufbauend, realisierten die Forscher verschiedene Zellkonzepte.

Ein Konzept (ALCR) kombinierte die Polymere beispielsweise mit einer Aluminium-Chrom-Folie sowie einem Gold-Raster auf der Pedot:PSS-Oberfläche für den Abtransport des Stroms. Dieses Konzept wurde nach ECN-Angaben schließlich das "Arbeitspferd" für die wichtigsten zu liefernden Ergebnisse des Projekts.

Ein weiterer Ansatz ersetzt die Aluminium-Chrom-Folie durch Silber-Nanopartikel (AGNP), die direkt auf das Substrat aufgebracht werden, danach folgt Zinkoxid, Pedot:PSS und nach oben abschließend eine Silberschicht. Das Konzept zeigte die beste Stabilität.

Ein drittes Konzept (ASP) kommt komplett mit der Verarbeitung von Lösungen und mit Druckprozessen, also ohne energieintensives Sputtering, aus. Es arbeitet ohne Metallschicht nur mit Pedot:PSS und Zinkoxid. Auch eine durchkontaktierte organische Zelle wurde ausprobiert.

Alle erzeugten Schichtaufbauten wurden von fünf am Projekt beteiligten Instituten auf wichtige Eigenschaften wie Energieausbeute, Stabilität unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Druckbarkeit geprüft. Die Leistung der Konzepte könne bis zu 93 % (im Schnitt für ALCR) der Durchschnittsleistung von ITO-Referenzzellen erreichen, heißt es im Projektbericht.

Fazit: Optimale Eigenschaften in allen Bereichen sind nicht zu haben. So ist der Nanopartikelaufbau hochstabil, lässt sich aber mit heutiger Technologie nicht drucken genauso wenig wie der ALCR-Aufbau, dessen größte Stärke die hohe Ausbeute ist. Als am besten geeignet für die geplanten Druckprozesse erwies sich der ASP-Schichtaufbau.

Schließlich erfolgte der Umstieg auf die Produktion in größerem Maßstab, bei dem die Zellen mit einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren wie beim Offsetdruck auf die Foliensubstrate aufgebracht wurden. Dabei deckten die Lebenszyklusanalysen neben den Materialkosten die Umweltauswirkungen und die energetische Amortisierung der jeweiligen Produkte über die gesamte Lebensdauer ab.

Die Ergebnisse waren bei allen geprüften Varianten sehr ermutigend: Die Kosten der Produktion von 1 m2 Solarfolie ließen sich – verglichen mit konventionellen organischen Photovoltaik-Materialien – von 120 € auf zwischen 40 € und 60 € je nach Variante senken.

Die bei der Produktion verwendete Energie spielten alle Varianten schon in weniger als einem Jahr wieder ein. Die Leistungsverluste beim Übergang von der Zell- auf die Modulebene sanken von rund der Hälfte auf jetzt 15 % bis 30 % Prozent, erreichbar sind 5 %.

Die Effizienz (im niedrigen einstelligen Prozentbereich) und die Haltbarkeit der Zellen können zwar im Moment noch nicht befriedigen, doch Projektkoordinator Jan M. Kroon vom niederländischen ECN ist sich sicher, in vier bis fünf Jahren wird man Zellen mit einer Haltbarkeit von zehn bis 15 Jahren und konkurrenzfähiger Effizienz erzeugen können. ARIANE RÜDIGER/swe

Indiumzinnoxid: Ersatz gesucht

-Indiumzinnoxid (ITO): Standardmaterial in der Elektronik für transparente, leitende Schichten. Für Flüssigkristalldisplays (LCD), Oled-Displays und Touchscreens bis dato unentbehrlich.

-Verarbeitung: typischerweise gesputtert auf Glas oder PET.

-Wichtige Nachteile: Es ist kaum flexibel, der Weltmarktpreis kann stark fluktuieren (Grafik rechts), die benötigten Schichten sind relativ dick.

-Ersatzstoffe in Sicht: Kunststoffverbindungen wie Pedot:PSS erweisen sich in Versuchen als geeigneter als ITO für großflächige Anwendungen wie Solarzellen (Grafik links). Die Zelleffizienz mit ITO nimmt mit der Zellgröße stark ab. swe

Pedot:PSS gilt als eine vielversprechende Option, um Indiumzinnoxid als Material für transparente leitende Schichten zu ersetzen.

Teures Indium: Vor allem der Einsatz als Indiumzinnoxid macht das Schwermetall begehrt. Hauptförderland ist derzeit China.

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