Inhalt des Blogartikel
Wie arbeiten organische Solarzellen?
Inzwischen wissen viele, dass eine Solaranlage auf dem Dach des Hauses eine Menge Vorteile bringt. Mit Photovoltaik (PV) erzeugst du Strom, den du im Haushalt für alles nutzen kannst. Produzierst du mehr Strom als du selbst verbrauchst, kannst du ihn ganz einfach verkaufen. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet sind organische Solarzellen. Woraus diese bestehen, wie es um ihren Wirkungsgrad steht und ob sie auch zu deiner Photovoltaikanlage passen, verraten wir dir hier.
Was ist Photovoltaik?
Bei der Photovoltaik wird die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Mehrere miteinander verbundene Solarmodule fangen dabei über einzelne Solarzellen das Sonnenlicht ein und nutzen dessen Energie zur Stromerzeugung. Allerdings wird mit den Solarzellen Gleichstrom generiert. Um die Energie im Haushalt nutzen zu können, muss dieser zunächst mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden.
So arbeiten die Solarzellen auf den Modulen
Die Solarzellen der Photovoltaikanlage bestehen normalerweise aus dem Halbleiter Silizium, das in mehreren, von einer Trennschicht geteilten Schichten auf dem Modul angebracht ist. Die obere Schicht, die direkt dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, enthält Phosphoratome, die viele Elektronen besitzen (fünfwertig). Diese Schicht ist negativ geladen. In der unteren Schicht wiederum befinden sich Boratome, die weniger Elektronen aufweisen (dreiwertig). Jene Schicht ist positiv geladen.
Durch das auftreffende Sonnenlicht, das aus Photonen besteht, beginnen die Elektronen, von der einen in die andere Siliziumschicht zu wandern. Dabei werden sie über metallene Kontaktschichten (Aluminium oder seltenes Silber), die sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Zelle angebracht sind, abgeleitet. Bei dieser Bewegung erzeugen sie den elektrischen Strom.
Wie funktionieren organische Solarzellen?
Eine organische Photovoltaik (OPV) funktioniert prinzipiell genauso wie kristalline Module. Nur besteht der Halbleiter hier nicht aus Silizium, sondern aus organischen Molekülen oder auch Polymeren.
Der Begriff „organisch“ bezieht sich dabei auf Werkstoffe der Chemie. Derzeit werden Kohlenwasserstoffverbindungen verwendet, die Forschung arbeitet jedoch auch an anderen Materialien.
Organische Halbleiter besitzen Doppel- und Dreifachverbindungen zwischen den Molekülen des Kohlenwasserstoffs. Um dabei den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird derzeit intensiv mit verschiedenen Materialien experimentiert. Bislang ist einer der großen Nachteile, dass die Kohlenwasserstoffverbindungen in den organischen Solarzellen durch das UV-Licht der Sonne mit der Zeit zerstört werden. Das Material löst sich also sprichwörtlich auf, die Nutzungsdauer der organischen Photovoltaikanlage verkürzt sich erheblich.
Vorteile der OPV
Im Vergleich zu kristallinen Solarzellen, die einen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent erreichen können, sind organische Solarzellen einfach noch nicht effektiv genug. Unter Idealbedingungen im Labor erreichen sie bislang einen Wirkungsgrad von höchstens 12 Prozent, in der praktischen Anwendung kommen sie durchschnittlich nicht über 7 Prozent.
Das soll sich aber schon in naher Zukunft ändern, wenn Forscher Materialien gefunden haben, die eine höhere Effizienz erbringen. Bereits jetzt zeigen die bislang verwendeten Materialien ein überdurchschnittliches Absorbtionsverhalten, wodurch sie gerade im Schwachlichtverhalten durchaus mit Dünnschichtsolarzellen mithalten können. Solche photovoltaischen Zellen können nur einen relativ geringen Anteil des zur Verfügung stehenden Sonnenlichts aufnehmen. Man rechnet mit einer Entwicklung, die einen Wirkungsgrad von maximal 30 Prozent bringen wird. Organische Solarzellen hingegen können theoretisch 100 Prozent der Photonen aufnehmen.
Weitere Vorteile der organischen Solarzellen, die keine kristallinen Zellen besitzen:
- Die Herstellung organischer Solarzellen ist preiswerter, da sie insgesamt weniger Material benötigt und das Hochtemperaturverfahren, das für die kristallinen Zellen nötig ist, überflüssig macht. Dadurch verringert sich der Energieaufwand.
- Bei der Herstellung werden zudem keine umweltgefährdenden Stoffe, wie zum Beispiel das Treibhausgas Stickstofftrifluorid, verwendet.
- Sie sind leichter als kristalline Zellen und als Solarfolie sogar biegsam. Dadurch lassen sie sich wesentlich vielseitiger verwenden. Denkbar ist der Einsatz an Fassaden und/oder Glasflächen, als Baumaterial oder in der Autoindustrie.
- Die OPV benötigt zu ihrer Herstellung insgesamt weniger Material als herkömmliche Anlagen.
Die Kosten für organische Solarzellen
Derzeit sind organische Solarzellen für den Alltag schlicht und einfach noch zu teuer. Um damit ein Haus effizient mit Strom zu versorgen, müsste eine wesentlich größere Fläche bedeckt werden als mit kristallinen Zellen.
In naher Zukunft wird es aber aller Wahrscheinlichkeit nach OPV geben, die auch für den privaten Gebrauch rentabel ist – beispielsweise mithilfe sogenannter Tandem-Solarzellen, die aus mehreren übereinander aufgedampften Halbleiterschichten bestehen und nahezu alle Teile des Lichtspektrums nutzen.
Es braucht noch etwas Geduld für die organische Photovoltaik
Gegenwärtig werden organische Solarzellen für die Photovoltaik aufgrund ihrer hohen Preise, des geringen Wirkungsgrades und der kurzen Lebensdauer nur sehr selten verwendet. In Zukunft wird sich das aber aller Voraussicht nach ändern. Vor allem weil die Herstellungsverfahren effizienter und die Ausgangsmaterialien vielseitiger werden. Auch die nahezu unbegrenzten Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise als Photovoltaikfolie auf Kleidung oder Freizeitartikeln (Zelte, Campingwagen, Regenschirme etc.), machen organische Solarzellen attraktiv. Forscher gehen davon aus, dass organische Photovoltaikanlagen die kristallinen Zellen auf Dauer vollständig verdrängen werden.
