Organische Solarzellen: Funktionsweise
Sind sie die Zukunft? Welche Vor- und welche Nachteile haben sie im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaik-Modulen? Wir klären auf!
Das Wichtigste in Kürze
- Material: Bestehen aus kohlenstoffhaltigen, organischen Verbindungen.
- Funktionsweise: Licht erzeugt Strom durch angeregte Elektronen in dünnen Schichten.
- Vorteile: Leicht, flexibel, transparent – ideal für Fassaden und Sonderflächen.
- Nachteile: Geringer Wirkungsgrad (unter 10 %) und kürzere Lebensdauer.
- Kosten: Noch teuer in der Herstellung, aber Potenzial für Preisreduktion.
- Einsatzorte: Besonders geeignet für Flächen mit geringer Statik oder Designanforderungen.
- Zukunft: Viel Forschung – bei Effizienzsteigerung gute Alternative zu Silizium-Modulen.
Woraus bestehen organische Solarzellen?
Der Begriff stammt aus der Chemie und bezeichnet organische Verbindungen, die aus Kohlenstoff bestehen. Organische Solarzellen bestehen somit aus den Kohlenwasserstoffverbindungen die photoelektrische Eigenschaften aufweisen. Diese sind zum Beispiel konjugierte Polymere und Kupferphthalocyanin.
Sie sind in der Herstellung relativ umweltfreundlich und es werden keine umwelttoxischen Rohstoffe verwendet.
Wie funktionieren organische Solarzellen?
Dünne Schichten von organischen Molekülen werden auf ein Trägermaterial aufgetragen. Die Schichten fungieren als Elektronendonator (Elektronenspender) oder als Elektronenakzeptor.
Wenn Licht auf die organischen Moleküle trifft, werden durch die Absorption der Photonen - Elektronen in einen angeregten Zustand versetzt. Diese angeregten Elektronen (Exzitonen) müssen innerhalb des Materials zu einer Grenzfläche wandern, wo eine Ladungstrennung geschieht und damit ein elektrisches Potential mit Energieinhalt entsteht.
Die Stromerzeugung findet in organischen, kohlenstoffhaltigen Molekülen - an den Grenzflächen zwischen der Donor- und der Akzeptorschicht statt. Sobald der Stromkreis durch angeschlossene Kabel geschlossen wird und das elektrische Potential sich im entstehenden Stromfluss abbauen kann, wird Strom erzeugt.
Wie ist der Wirkungsgrad von organischen Solarzellen?
Dieser Vorgang ist weniger effizient als bei herkömmlichen Solarzellen, was zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führt. Der Wirkungsgrad liegt derzeit bei ca. 1/3 von den leistungsstärksten Silizium-Modulen.
Was kosten organische Solarzellen?
Organische Solarzellen sind derzeit noch ein Nischenprodukt auf dem Photovoltaikmarkt. Im Vergleich zu den weit verbreiteten mono- und polykristallinen Modulen ist ihr Marktanteil relativ. Das liegt unter anderem daran, dass die Technologie noch nicht vollständig ausgereift ist und die Produktionskosten höher sind. Die Kosten von organischen Solarzellen sind derzeit noch um ein Vielfaches höher als die Kosten für andere Photovoltaikmodule.
Es ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Forschung und Entwicklung auch die Preise für organische Solarzellen deutlich sinken werden. Vor einigen Jahren wurden vor allem die günstigeren polykristallinen Module verbaut. Heute dominieren jedoch monokristalline Module, da sie effizienter sind und die Preise für Photovoltaiksysteme zwischen 2010 und 2020 um rund 90 Prozent gesunken sind. Dieser Preisverfall ist auf technologische Fortschritte und Skaleneffekte der Massenproduktion zurückzuführen.
Aufbau von organischen Solarzellen
Substrat
Die Basis der Zelle. Es kann flexibel sein (z.B. eine Kunststofffolie) oder starr.
Elektroden
An der oberen und unteren Seite der Zelle befinden sich Elektroden, die den Strom sammeln. Eine Elektrode ist in der Regel transparent, damit Licht durch sie hindurchtreten kann.
Aktive Schicht
Das Herzstück der Zelle besteht aus organischen Materialien. Diese Schicht ist dafür verantwortlich, Licht zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln.
Sie enthält typischerweise eine Mischung aus einem Elektronendonator-Material (z.B. ein organisches Polymer) und einem Elektronenakzeptor-Material (z.B. Fullerene).
Zwischenschichten
Manchmal werden zusätzliche Schichten zwischen den Elektroden und der aktiven Schicht eingefügt, um den Ladungstransport zu verbessern.
Vor- und Nachteile von organischen Solarzellen
Wir haben die Vor- und Nachteile zusammengefasst:
Vorteile
Herstellungskosten
Sie weisen sehr geringe Herstellungskosten auf.
Gewicht
Sie haben ein sehr geringes Gewicht und sind sehr dünn. Dadurch können sie fast überall eingesetzt werden. Die Statik ist vernachlässigbar.
Flexibilität
Als Kunststoffbeschichtung können sie auf fast jeder Oberfläche angebracht werden.
Transparenz
Aufgrund der Transparenz können sie sehr gut in Gebäuden integriert werden. Das Aufbringen auf Glasfassaden oder Fenstern ist somit möglich.
Verschattung
Bei Verschattung fällt der Leistungsabfall geringer aus als bei herkömmlichen Solarzellen.
Nachteile
Geringere Effizienz
Der Wirkungsgrad von liegt derzeit unter 10 Prozent. Bei Silizium-Solarzellen liegt der Wirkungsgrad bei ca. 22-23 Prozent.
Lebensdauer
Die Lebensdauer liegt bei ca. 5 Jahren. Mit der richtigen Einkapselung kann die Lebensdauer auf 20-25 Jahre erhöht werden.
Leistung
Aufgrund des geringen Wirkungsgrades muss eine größere Fläche verbaut werden, um genügend Leistung zu erhalten. Sie erreichen ca. 1/3 der leistungsstärksten Silizium-Module.
Vergleich Photovoltaik-Module
| Kriterium | Organische Solarzelle | Herkömmliche Solarzelle |
|---|---|---|
| Kosten | günstig | teurer |
| Effizienz | ca. 10 Prozent | zwischen 22 und 23 Prozent |
| Lebensdauer | ca. 5 Jahre, bei spezieller Fertigung 20-25 Jahre. | 20-25 Jahre |
| Installationsaufwand | gering, sehr flexibel | Statik oft als Problem |
Fazit
Gerade auf dem Gebiet der organischen Solarzellen wird sehr viel geforscht und weiterentwickelt. Noch weisen sie einen zu geringen Wirkungsgrad auf, um mit Dünnschicht-Solarzellen oder mono- bzw. polykristallinen Solarmodulen in Konkurrenz zu treten. Außer auf speziellen Flächen wie Fassaden, statisch schwachen Dächern oder Sonderflächen wie Fahrzeugen. Hier haben sie deutliche Vorteile.
Der Labor-Wirkungsgrad von reinen kristallinen Solarzellen liegt maximal bei 25 Prozent. Organische Solarzellen könnten in der Zukunft einen höheren Wirkungsgrad erreichen.
Die Forschung und Entwicklung in den kommenden Jahren wird zeigen, wie sich die organische Photovoltaik entwickeln. Sie könnten durchaus eine sehr gute Alternative darstellen. Vor allem deshalb, weil sie sehr leicht und transparent sind und auf fast jeder Oberfläche aufgetragen werden können.
