Ultradünne organische Solarzellen könnten Gebäude in Stromgeneratoren verwandeln

Während die Stadtwerke in Marburg im November 2021 planmäßige Wartungsarbeiten an einem Warmwasserspeicher durchführten, klebten Ingenieure 18 Solarpaneele an die Außenseite des 10 Meter hohen zylindrischen Hauptspeichers. Es ist nicht das typische Zuhause für Solarmodule, die meisten davon sind flache, starre Rechtecke aus Silizium und Glas, die auf Dächern oder in Solarparks angeordnet sind. Die Module der Marburger Anlage hingegen sind ultradünne organische Folien des deutschen Solarunternehmens Heliatek. In den letzten Jahren hat Heliatek seine flexiblen Paneele an den Seiten von Bürotürmen, den geschwungenen Dächern von Bushaltestellen und sogar am zylindrischen Schaft einer 80 Meter hohen Windmühle montiert. Das Ziel: Die Reichweite der Solarenergie über das Flachland hinaus auszudehnen. „Es gibt einen riesigen Markt, in dem klassische Photovoltaik nicht funktioniert“, sagt Jan Birnstock, technischer Leiter von Heliatek.

Organische Photovoltaik (OPVs) wie die von Heliatek sind mehr als zehnmal leichter als Siliziumpaneele und kosten teilweise nur halb so viel in der Herstellung. Einige sind sogar transparent, was Architekten dazu veranlasst, sich Solarpaneele nicht nur auf Dächern, sondern auch in Gebäudefassaden, Fenster und sogar Innenräume vorzustellen. „Wir wollen jedes Gebäude in ein Gebäude zur Stromerzeugung umwandeln“, sagt Birnstock.

Die Panels von Heliatek gehören zu den wenigen OPVs im praktischen Einsatz und wandeln etwa 9 % der Energie des Sonnenlichts in Strom um. Aber in den letzten Jahren haben Forscher auf der ganzen Welt neue Materialien und Designs entwickelt, die in kleinen, im Labor hergestellten Prototypen einen Wirkungsgrad von fast 20 % erreicht haben und damit an Silizium und alternative anorganische Dünnschichtsolarzellen heranreichen, beispielsweise solche aus a Mischung aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Im Gegensatz zu Siliziumkristallen und CIGS, bei denen Forscher meist auf die wenigen chemischen Optionen beschränkt sind, die ihnen die Natur bietet, ermöglichen OPVs ihnen, Bindungen zu optimieren, Atome neu anzuordnen und Elemente aus dem gesamten Periodensystem einzumischen. Diese Veränderungen stellen Knöpfe dar, die Chemiker anpassen können, um die Fähigkeit ihrer Materialien zu verbessern, Sonnenlicht zu absorbieren, Ladungen zu leiten und einer Zersetzung zu widerstehen. OPVs erfüllen diese Maßnahmen immer noch nicht. Aber „Es gibt einen enormen weißen Raum zur Erforschung“, sagt Stephen Forrest, OPV-Chemiker an der University of Michigan, Ann Arbor.

Auch wenn im Labor hergestellte OPVs vielversprechend aussehen, bleibt die Skalierung zu Panels in voller Größe eine Herausforderung, aber das Potenzial ist enorm. „Derzeit ist eine wirklich aufregende Zeit für OPVs, weil das Gebiet enorme Fortschritte bei Leistung, Stabilität und Kosten gemacht hat“, sagt Bryon Larson, OPV-Experte am National Renewable Energy Laboratory.

KONVENTIONELLE SOLARENERGIE – größtenteils auf Siliziumbasis – ist bereits ein Erfolg im Bereich der grünen Energie und liefert etwa 3 % des gesamten Stroms auf dem Planeten. Es ist die größte neue Stromquelle, die dem Netz hinzugefügt wird. Jährlich gehen mehr als 200 Gigawatt ans Netz, genug, um 150 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen. Dank jahrzehntelanger technischer Verbesserungen und einer globalen Lieferkette sinkt der Preis weiter.

Aber Solarenergie und andere grüne Energiequellen wachsen nicht annähernd schnell genug, um die wachsende Nachfrage zu decken und einen katastrophalen Klimawandel zu verhindern. Aufgrund der voranschreitenden globalen Wirtschaftsentwicklung, des Bevölkerungswachstums und der erwarteten Umstellung eines Großteils der weltweiten Pkw und Lkw von Erdöl auf Elektrizität wird sich der weltweite Strombedarf voraussichtlich bis 2050 verdoppeln. Nach den neuesten Schätzungen der Internationalen Energieagentur Um bis 2050 globale Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen, müssen die Länder viermal so schnell erneuerbare Energien installieren, eine Herausforderung, die die Agentur als „gewaltig“ bezeichnet. Die Welt braucht neue erneuerbare Energiequellen, und zwar schnell.

OPV-Befürworter glauben nicht, dass die Technologie herkömmliche Siliziumpaneele für die meisten Anwendungen ersetzen wird. Vielmehr sehen sie darin eine Welle neuer Anwendungen und letztendlich den Einsatz von Solarenergie an Orten, an denen Siliziumpaneele nicht funktionieren. Das Feld begann 1986, als Kunststofffolienexperten der Eastman Kodak Company das erste OPV herstellten, das die Energie des Sonnenlichts nur mit einem Wirkungsgrad von 1 % in Elektrizität umwandelte. Aber in den frühen 2000er Jahren hatte das Hantieren mit den chemischen Knöpfen die OPV-Effizienz auf etwa 5 % gesteigert, was für mehrere Unternehmen ausreichte, um zu versuchen, sie zu kommerzialisieren. Sie hofften, dass das Drucken von Platten auf Rolle-zu-Rolle-Maschinen wie Zeitungsdruckmaschinen die Geräte trotz ihrer Mängel billig genug machen würde, um nützlich zu sein. Doch schlechte Effizienz und Leistungsverfall unter ständiger Sonneneinstrahlung machten die frühen Modelle zum Scheitern. „Die Aufregung war da, aber es war etwas zu früh“, sagt Larson.

Ein Teil der Schwierigkeit bei der Steigerung der OPV-Effizienz besteht – damals wie heute – darin, dass sie anders funktionieren als Zellen aus anorganischen Materialien wie Silizium. Alle Solarzellen sind sandwichartige Bauelemente mit Halbleitern in der Mitte, die Photonen absorbieren und diese Energie in elektrische Ladungen umwandeln, die dann zu darüber und darunter geschichteten Metallelektroden wandern. Wenn Sonnenlicht auf Siliziumzellen trifft, werden durch die zusätzliche Energie Elektronen aus ihrer Umlaufbahn um einzelne Siliziumatome geschleudert, sodass diese frei durch das Material fließen können. Jedes angeregte Elektron hinterlässt eine Elektronenlücke, auch „Loch“ genannt, die eine positive Ladung trägt. Die positiven Ladungen fließen zu einer negativ geladenen Elektrode (der Kathode), während die Elektronen zu einer positiv geladenen Elektrode (der Anode) fließen und so einen elektrischen Strom erzeugen.

Im Gegensatz dazu neigen die Moleküle in organischen Halbleitern dazu, ihre Ladungen fester zu halten. Wenn OPVs Sonnenlicht absorbieren, ist genug Energie vorhanden, um ein Elektron aus seiner Atombahn zu schleudern, aber nicht genug, um die positiven und negativen Ladungen aufzuspalten und getrennte Wege zu gehen. Vielmehr haften diese entgegengesetzten Ladungen aneinander und bilden ein sogenanntes Exziton. Um Strom zu erzeugen, müssen die Exzitonen in positive und negative Ladungen getrennt werden, die zu ihren jeweiligen Elektroden wandern können.

Der Moment der Trennung kommt, wenn sich Exzitonen bewegen und auf eine Grenzfläche zwischen zwei Halbleiterkomponenten treffen, die als Donor- und Akzeptormaterialien bezeichnet werden. Der Akzeptor zieht Elektronen an und der Donor zieht die positiven Löcher an, wodurch das Exziton auseinandergezogen wird. Es muss schnell gehen: Wenn sich das angeregte Elektron und das angeregte Loch miteinander verbinden, bevor sie diese Grenzfläche erreichen können, geben sie oft ihren ursprünglichen Anregungsstoß als Wärme ab und verschwenden diese.

Im Laufe der Jahrzehnte haben OPV-Forscher versucht, die Leistung ihrer Geräte durch die Entwicklung verbesserter Donatoren und Akzeptoren zu verbessern. Durch Arbeiten bis Mitte der 2000er Jahre konnte der Wirkungsgrad auf über 5 % gesteigert werden, vor allem durch den Einbau fußballförmiger Kohlenstoffverbindungen, sogenannter Fullerene, in die Materialien. Der Elektronenhunger der Fullerene macht sie zu leistungsstarken Akzeptoren. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts verlagerte sich die Aktion auf die Spender. Bis 2012 steigerte eine Reihe neuartiger halbleitender Polymere, die als Donatoren eingesetzt wurden, den Wirkungsgrad auf 12 %.

Dann erlitt das Feld einen doppelten Schlag. Erstens verlangsamte sich der Fortschritt, da die Forscher darum kämpften, das nächste bahnbrechende Material zu finden. Dann tauchte eine konkurrierende Dünnschicht-Solartechnologie namens Perowskite auf. Perowskite sind Mischungen aus organischen und anorganischen Verbindungen, die kostengünstig herzustellen und leicht zu verarbeiten sind und sich hervorragend dazu eignen, Sonnenlicht einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln. Während der OPV-Fortschritt ins Stocken geriet, stieg die Effizienz von Perowskiten von etwa 6,5 ​​% im Jahr 2012 auf etwa 24 % im Jahr 2020. „Perowskite waren wie eine Stange Dynamit, die in die OPV-Welt geworfen wurde“, sagt Larson. Förderagenturen stiegen auf OPVs und Forscher strömten zu dem heißen Emporkömmling. „Perowskite waren ein Zug, auf den man einfach mitmachen musste“, sagt Karl Leo, OPV-Forscher an der Technischen Universität Dresden.

Auch heute noch sind Perowskite heiß. Aber Herausforderungen hinsichtlich der Langzeitstabilität und ihrer Abhängigkeit von toxischen Elementen haben einige Begeisterung gemindert. In der Zwischenzeit erlebten OPVs bald einen eigenen Innovationsschub.

Im Jahr 2015 berichteten Forscher unter der Leitung von Xiaowei Zhan, einem Materialwissenschaftler an der Universität Peking, über den ersten einer neuen Klasse von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs). Obwohl Fullerene gut darin waren, Elektronen aufzunehmen und zu transportieren, waren sie schlecht darin, Sonnenlicht zu absorbieren. Auf molekularer Ebene sah Zhans neue Verbindung mit dem Namen ITIC wie ein erweitertes olympisches Symbol mit zusätzlichen Ringen aus und erfüllte beide Aufgaben gut: Zuerst absorbierte es rotes und infrarotes Licht und transportierte dann Elektronen, sobald sich die Exzitonen spalteten.

Zhans erstes NFA-Gerät hatte nur einen Wirkungsgrad von etwa 7 %. Aber Chemiker auf der ganzen Welt begannen schnell, die Struktur von ITIC zu optimieren und verbesserte Versionen herzustellen. Bis 2016 steigerten neue NFAs die OPV-Effizienz auf 11,5 %. Bis 2018 erreichten sie 16 %. Und die Rekorde kommen weiter. Letztes Jahr berichteten Larson und seine Kollegen in Nature Communications, dass sie durch die Kombination mehrerer Donatoren, eines NFA und eines Fullerens in einer einzigen Schicht ein Material geschaffen haben, das Exzitonen eine längere Lebensdauer ermöglichte und Löcher schneller zu ihrer Elektrode brachte, die drückte seine Effizienz bis zu 18,4 %. Und im August berichteten Zhan Lingling von der Hangzhou Normal University und ihre Kollegen in Advanced Energy Materials, dass ein OPV, das auf einer ähnlichen Mehrkomponentenstrategie basiert, einen Wirkungsgrad von 19,3 % erreichte. „Der Fortschritt war wirklich beeindruckend“, sagt Jean-Luc Brédas, OPV-Experte an der University of Arizona. „Zwanzig Prozent werden bald erreicht sein.“

Das würde OPV-Zellen auf wenige Prozentpunkte an ihre CIGS- und Siliziumkonkurrenten heranbringen. Dennoch glauben nur wenige Marktbeobachter, dass OPVs in naher Zukunft direkt mit Silizium konkurrieren werden. Silizium-Solarzellen erobern bereits einen Markt von 85 Milliarden US-Dollar pro Jahr, mit einer 30-jährigen Erfolgsgeschichte und nachgewiesener Haltbarkeit.

Im Gegensatz dazu bleiben OPVs Nischenprodukte. Billigere OPVs wie die Heliatek-Geräte werden durch geringe Wirkungsgrade beeinträchtigt, und effizientere sind noch experimentell und kostspielig. Forrest sagt, dass es für OPV-Hersteller vorerst am besten sei, neue Märkte zu erschließen, für die Silizium nicht geeignet sei. „Wenn Sie mit Silizium konkurrieren, gehen Sie nach Hause, Sie haben bereits verloren“, sagt er.

Eine schnell wachsende Anwendung ist das Verputzen der Energieerzeugungsfolien an Gebäudeseiten. CIGS und andere anorganische Dünnfilme können auf die gleiche Weise verwendet werden. Die Nachfrage nach Heliatek-Modulen ist jedoch so groß, dass das Unternehmen, obwohl es erst letztes Jahr damit begonnen hat, sie zu verkaufen, bereits eine Fabrik baut, die jährlich 2 Millionen Quadratmeter (m2) produzieren kann, genug, um etwa 200 Megawatt Strom bereitzustellen. Mittlerweile verkauft ein schwedisches Unternehmen namens Epishine OPVs, die in Innenräumen funktionieren und Einwegbatterien in allen Bereichen ersetzen können, von Temperatursensoren bis hin zu automatisierten Lichtsteuerungen. Es hat eine eigene Hochgeschwindigkeitsproduktionslinie gebaut. Die US-Startups Ubiquitous Energy und NextEnergy entwickeln energieerzeugende OPV-Fenster, die hauptsächlich Infrarotphotonen einfangen und gleichzeitig sichtbares Licht durchlassen, was CIGS und andere undurchsichtige dünne Filme nicht können. Und das US Office of Naval Research (ONR) hat die Verwendung von OPVs als stromerzeugende Stoffe für Zelte, Rucksäcke und andere Ausrüstungsgegenstände für mobile Soldaten im Auge. „Wir wollen etwas, das wir an die Front tragen können“, sagt Paul Armistead, der die OPV-Finanzierung bei ONR überwacht.

Damit OPVs jedoch zu einer bedeutenden Quelle grüner Energie werden können, müssen sie mit ihren Konkurrenten hinsichtlich Effizienz und Haltbarkeit konkurrieren – und das erfordert nicht nur neue Materialien, sondern auch Finesse bei der Herstellung. Die effizientesten Geräte existieren derzeit nur als Prototypen in Briefmarkengröße im Labor. Theoretisch ist es einfach, die Produktion von 1-Quadratzentimeter-Zellen auf 1-m2-Panels zu steigern. Organische Stoffe wie Polymere und NFAs können in Lösungsmitteln gelöst und großflächig maschinell beschichtet werden. Aber jede Schicht in der sandwichartigen Vorrichtung muss völlig glatt sein und darf nur wenige oder keine Unvollkommenheiten aufweisen, die sich bewegende Ladungen einfangen und die Gesamteffizienz verringern können. „Um eine angemessene Effizienz zu erzielen, muss alles perfekt funktionieren“, sagt Armistead.

Eine noch größere Herausforderung besteht darin, den Aufbau der zentralen Schicht des Sandwichs zu kontrollieren, die die Donatoren und Akzeptoren enthält. Diese Materialkombination wird zunächst als Flüssigkeit mit miteinander vermischten Donatoren, Akzeptoren, manchmal anderen Additiven und Lösungsmitteln bereitgestellt. Wenn das Lösungsmittel verdunstet, trennen sich die Donoren und Akzeptoren und es entstehen zwei ineinander verschlungene, kontinuierliche Netzwerke. Das Ergebnis ist eine große Oberfläche an der Grenzfläche zwischen Donor- und Akzeptorregion, um die Ladungen zu trennen. Die kontinuierlichen Netzwerke ermöglichen auch, dass die entgegengesetzten Ladungen auf ihren eigenen Wegen zu den Elektroden fließen, wobei Elektronen durch das Netzwerk aus Akzeptoren und Löcher durch die Donatoren wandern.

Die ineinander verschlungenen Bänder aus Donatoren und Akzeptoren müssen extrem dünn sein, da Exzitonen, die beim Auftreffen von Photonen auf das Material entstehen, nur etwa 20 Nanometer weit wandern können, bevor die Ladungen rekombinieren und die Möglichkeit zur Stromerzeugung verloren geht, sagt Zhenan Bao, Chemiker an der Stanford University. „Man muss die Morphologie richtig hinbekommen“, sagt Armistead. Dies im großen Maßstab zuverlässig zu bewerkstelligen, bleibt eine Herausforderung.

Er und andere werden durch eine am 27. Oktober in Nature Energy veröffentlichte Studie von Jie Min, einem OPV-Experten an der Universität Wuhan, und seinen Kollegen ermutigt. Mins Team hat einen beliebten Ansatz zur Herstellung dünner Filme mit hoher Geschwindigkeit entwickelt, der sogenannte Blade-Coating. Der herkömmliche Ansatz, bei dem Donatoren und Akzeptoren miteinander vermischt werden und die Flüssigkeit über einen sich bewegenden Film verteilt und mit etwas, das wie ein langer Rakel aussieht, gleichmäßig verteilt wird, kann solche Filme mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 m pro Minute erzeugen. Doch indem die Forscher die Schichten direkt nacheinander einzeln abrakelten, bauten sie mit bis zu 30 m pro Minute ein besseres Netzwerk aus Donatoren und Akzeptoren auf. Die resultierenden Zellen hatten Wirkungsgrade von bis zu fast 18 %. Mins Team berechnet außerdem, dass die schnellere Herstellungsrate die OPV-Kosten um mehr als das Zehnfache senken und den Preis pro Kilowattstunde (kWh) mit Silizium konkurrenzfähig machen könnte.

Der zwei Jahrzehnte dauernde Anstieg der Effizienz, mit der organische Photovoltaik Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, wurde zunächst durch Moleküle namens Fullerene und Veränderungen in der Struktur der Filme vorangetrieben, dann durch bessere „Donor“- und „Akzeptor“-Materialien zur Trennung positiver und negativer Ladungen.

Es bleibt jedoch abzuwarten, ob solche Zellen über Jahrzehnte hinweg die für eine hohe Effizienz erforderliche innere Struktur behalten. „Bei einigen der rekordverdächtigen Zellen verändert sich die Morphologie mit der Zeit und die Leistung hält nicht stand“, sagt Armistead. NFAs sind besonders anfällig, da die besten aus kleinen Molekülen bestehen, die sich leicht durch das Material bewegen können.

Der Ersatz der NFAs durch Akzeptoren, die in lange Polymere eingewebt sind, um sie an Ort und Stelle zu halten, könnte hilfreich sein. „Sie haben die Chance, sehr robust zu sein“, sagt Armistead. Auch hier schreitet der Fortschritt voran. In der Ausgabe von Advanced Materials vom 18. August berichteten Forscher unter der Leitung von Alex Jen, einem Materialwissenschaftler an der Universität Hongkong, über Vollpolymer-Solarzellen, die einen Wirkungsgrad von 17 % hatten und bei beschleunigten Alterungstests 90 % ihres Wirkungsgrads behielten. „Das ist durchaus bemerkenswert“, sagt Bao, dessen Team ebenfalls an Vollpolymerzellen arbeitet.

Dennoch reichen Stabilität und hohe Effizienz nicht aus. Um auf dem Markt zu bestehen, müssen sich Solarzellen zudem über Jahrzehnte hinweg als zuverlässig erweisen. „Es ist ein dreibeiniger Hocker und man muss alle drei Beine haben“, sagt Forrest. Unter intensiver Einwirkung der ultravioletten Strahlung (UV) im Sonnenlicht können sich die organischen Stoffe in Solarzellen zersetzen, ähnlich wie unsere Haut an einem Tag am Strand verbrennt.

In der Ausgabe von Nature Communications vom 14. September 2021 berichteten Forrest und seine Kollegen, dass sie ihrem OPV eine dünne Schicht aus UV-absorbierendem Zinkoxid – dem gleichen Material in einigen Sonnenschutzmitteln – hinzugefügt hatten, was dessen Lebensdauer in beschleunigten Alterungstests auf bis zu 30 Jahre verlängerte. „Es ist Sonnenschutz für Solarzellen“, sagt Forrest. Larson, der nicht zu Forrests Team gehörte, nennt es „ein riesiges Ergebnis“.

In einer Hinsicht haben OPVs bereits einen klaren Vorteil gegenüber nahezu jeder anderen Energieerzeugungstechnologie: einen auffallend niedrigen CO2-Fußabdruck. Bei der Bewertung der Heliatek-Module bescheinigte das deutsche Prüfinstitut TÜV Rheinland, dass für jede Kilowattstunde Strom, die die Module des Unternehmens produzieren, bei der Herstellung, dem Betrieb und schließlich bei der Entsorgung höchstens 15 Gramm (g) Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen werden. Dem stehen 49 g CO2/kWh für Siliziumpaneele und satte 1008 g CO2/kWh für den Abbau und die Verbrennung von Kohle gegenüber. Trotz ihres geringen Wirkungsgrads erzeugen Heliatek-Module im Laufe ihrer Lebensdauer mehr als das Hundertfache der Energie, die für ihre Herstellung und Handhabung erforderlich ist.

Der CO2-Fußabdruck von OPVs wird sich mit Sicherheit weiter verringern, da ihre Effizienz weiterhin neue Rekorde erreicht, die Lebensdauer steigt und die Produktionsmethoden weiterentwickelt werden. Diese Trends wecken die Hoffnung auf eine Welt, in der sich Solarenergie nicht nur auf Dächern und Wüstenbuschland ausbreitet, sondern auch entlang der geschwungenen Fassaden von Wolkenkratzern, den Fenstern der Welt und fast überall sonst, wo Menschen nach etwas Saft suchen. Das könnte die Aussichten für die Bekämpfung des Klimawandels etwas verbessern.