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Organische Photovoltaik (OPV)
Von der Forschung in die Fertigung: Wie organische PV-Module günstiger produziert werden können
Organische Photovoltaik-Module sind echte Spezialisten. Sie liefern zwar weniger Strom als klassische Silizium-Module, können aber mit Lichtdurchlässigkeit und Design glänzen. Wie das gelingt und kostengünstig in der Fertigung umgesetzt werden kann, haben Forschende im Projekt Durchblick-PV gezeigt.
Ob Glasfassaden, Gewächshäuser oder Autoscheiben: Für diese Einsatzorte sind die hauchdünnen und lichtdurchlässigen Photovoltaik-Folien eine attraktive Lösung. Bei den Anwendungen liegt der Fokus auf Gestaltbarkeit, Integration und Transparenz und weniger auf einem hohen Wirkungsgrad. Denn Fensterfronten von Bürogebäuden sollen trotz Stromproduktion lichtdurchlässig bleiben. In Gewächshäusern ist Tageslicht wichtig, damit Erdbeeren oder Tomaten unter den Solarmoduldächern gut gedeihen. Gleichzeitig wird Strom für die Berieselungsanlage gewonnen.
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Im Forschungsprojekt Durchblick-PV haben Fachleute das Ziel verfolgt, organische Photovoltaik-Module mit signifikanter Transparenz im sichtbaren Spektralbereich möglichst über 60 Prozent zu entwickeln. Außerdem lag ein weiterer Fokus darauf, durch neue Forschungserkenntnisse die Herstellungskosten zu senken – mit anschließend zügiger Integration der gewonnenen Material- und Technologieoptimierungen in die Produktion. „Schnelle Transferleistungen in den Markt sind das A und O, um als Wirtschaftsunternehmen wettbewerbsfähig zu bleiben“, sagt Projektkoordinator Dr. Wilfried Lövenich, Leiter R&D Clevios bei Heraeus Epurio. „Dies ist uns im Projekt Durchblick-PV gut gelungen.“
„Schnelle Transferleistungen in den Markt sind das A und O, um als Wirtschaftsunternehmen wettbewerbsfähig zu bleiben.“Projektkoordinator Wilfried Lövenich
Von der Materialforschung bis zur Mock-up-Fassade
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Zunächst hat das Forschungsteam von Durchblick-PV verschiedene organische Absorbermaterialien auf ihre optischen und elektrischen Eigenschaften getestet und in Zelle und Modul optimiert. Des Weiteren wurden visuell transparente und NIR-reflektierende Substratelektroden im Hinblick auf Kostenoptimierungen und eine Verbesserung der elektrooptischen Eigenschaften weiterentwickelt. Ebenso wurden hochtransparente und hochleitfähige, polymerbasierte Materialien für die Deckelektrode erfolgreich weiterentwickelt und eingesetzt.
Am Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Universität Freiburg und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) konnten damit vielversprechende Werte für Wirkungsgrad und Transmission erreicht werden. „Mittels der Kombination aus der verbesserten polymeren Frontelektrode und einer sehr präzisen Laserstrukturierung gelang es uns, die Module ohne jegliches Metall in der Frontelektrode zu realisieren. Dadurch konnte sowohl die Transparenz als auch die Homogenität des Erscheinungsbildes deutlich gesteigert werden“, führt Dr. Uli Würfel aus, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE.
„Uns ist es gelungen, die Module ohne jegliches Metall in der Frontelektrode zu realisieren. Dadurch konnte sowohl die Transparenz als auch die Homogenität des Erscheinungsbildes deutlich gesteigert werden.“Projektpartner Uli Würfel
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Zu guter Letzt skalierten die Fachleute bei ASCA das optimierte Gesamtsystem zu großflächigen organischen Solarmodulen auf. Auf Basis dieser Module wurden Polycarbonat-Laminate hergestellt und aus diesen ein transparentes Mockup realisiert. Der Demonstrator steht bis heute auf einem Testfeld und liefert Daten, die kontinuierlich ausgewertet werden. So lassen sich Erkenntnisse für weitere Optimierungen gewinnen.
Erfolgsfaktor: die Partnerschaft aus Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen
Für den Erfolg des Forschungsprojekts war der passgenaue Mix der Partner ausschlaggebend. Neben Materialforscherinnen und -forschern aus dem Fraunhofer ISE, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und von Heraeus Epurio waren mit ROWO ein Spezialist für die Metallisierung von Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren und mit ASCA ein Produzent von organischen Solarmodulen an Bord. Dadurch konnten neue Forschungsergebnisse aus den Werkstätten und Laboren direkt auf ihre Produktionstauglichkeit überprüft werden.
„Unsere Kundinnen und Kunden wünschen vor allem ein attraktives optisches Erscheinungsbild zu vertretbaren Kosten.“Projektpartner Sebastian Meier
Zwar wurden die gewünschten physikalischen Werte für die hohe Transparenz im Projekt Durchblick-PV nicht ganz erreicht. Dafür haben die Forschenden mehrere kostensenkende Verfahren und Technologien für die OPV-Fertigung generiert. Diese Erkenntnisse sind für OPV-Spezialanfertigungen äußerst relevant. Denn: „Von Interessierten hören wir immer wieder, dass der Fokus nicht unbedingt auf maximalen Werten der physikalischen Kenngrößen liegt. Unsere Kundinnen und Kunden wünschen vor allem ein attraktives optisches Erscheinungsbild zu vertretbaren Kosten“, bestätigt Dr. Sebastian Meier, Director OPV Technology & Manufacturing bei ASCA. Die Firma aus Kitzingen ist nach eigenem Bekunden Weltmarktführer für OPV-Module.
Durchblick-PV: Best-Practice-Beispiel für Kostenreduktionen in der OPV-Fertigung
Das Forschungsprojekt ist ein Best-Practice-Beispiel für den schnellen Erkenntnistransfer aus der Forschung in die Fertigung. Beispielsweise wurden zwei innovative, kostengünstige Elektrodenkonzepte entwickelt. Diese werden mittlerweile in der ASCA-Produktion eingesetzt. Im Projekt wurde außerdem eine kostengünstige PET-Folie identifiziert, die als Substrat für die Elektrodenschichten in der Produktion künftig eingesetzt werden soll.
Kosten können auch durch die im Projekt entwickelte Barrierefolie aus handelsüblichen Verpackungsfolien reduziert werden. Diese Folien lassen sich, je nach Anwendungsgebiet, individuell konfigurieren. Das Folienkonzept wurde nicht nur erfolgreich im Labor getestet, sondern auch im Rolle-zu-Rolle-Maßstab. (it)
