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Auf der diesjährigen Printed Electronics Europe 2009 in Dresden war von einer Krise nichts zu spüren. Die Kongressmesse deckt die gedruckte Elektronik mit all ihren Facetten ab, erkennbar war mit der organischen Solarzellentechnologie aber ein Schwerpunkt, über den wir hier berichten. Weitere wesentliche Themen der insgesamt 58 Vorträge waren gedruckte Batterien und Akkus, Displays/OLEDs und elektronisches Papier.

Das Fertigungsanlagen für organische CdTe Solarzellen mit einer Länge von 160m schon Realität sind, demonstrierte Dr. Dieter Bonnet von CTF Solar/ Roth&Rau, der den Reigen der Vorträge zur organischen PV eröffnete. Eine nächste Fertigungslinie wird über 400m messen und dabei wird bei dieser schlüsselfertigen Lösung keine menschliche Hand das Material mehr berühren. Auf die Gesundheitsgefährtung durch das Cadmium im CdTe gefragt, konnte Dr.Bonnet, im Sinne aller auf diesem System beruhenden Hersteller, auf die hohen Bindungskräfte zwischen Cd und Te hinweisen und das es einer sehr hohen Energie bedarf, diese zu trennen. Deshalb sehe er keine Gefahr in jedem Schritt der Fertigung. Prof. Michael Grätzel vom Swiss Federal Institut of Technology in Lausanne, der Erfinder der Grätzelzelle, die schon vor mehr als 10 Jahren billigen Solarstrom lieferte, stellte die Mesoscopische Solarzelle vor. Sie entsteht durch Siebdruck von Nanopartikeln und hat den Vorteil, dass kein Vakuum und keine Hochtemperaturprozesse während der Fertigung benötigt werden.

Ein anderer Vorteil ist die Eigenschaft dieser Zelle, Licht aus allen Richtungen – auch von hinten – einzusammeln. Auch zeigt diese Zelle wie viele organischen Zellen nicht den Rückgang des Wirkungsgrades bei ansteigender Temperatur, wie ihn die Si-Zelle zeigt. Das aufgebrachte TiO2 Nanopartikelarray sammelt die Elektronen und liefert in dieser Form als Dye sensitized Solarzelle mit einem Dye Monolayer gegenüber einer Si-Zelle 10% mehr Energie bei voller Sonnenbestrahlung und sogar 45% mehr bei diffusem Licht. Die höhere Ausbeute bei diffusem Licht ist ja generell ein Vorteil organischer Zellen gegenüber den Si-Zellen. Anders als bei vielen anderen Solarzellen wird bei der Mesoscopischen Solarzelle das gesamte Sonnenspektrum von 400nm bis 750nm in Energie umgesetzt, und Prof. Grätzel gibt den im Labor erzielten Wirkungsgrad mit 12% an, er soll bis in zwei Jahren auf 15% gestiegen sein. Ein anderer wesentlicher Faktor ist die Payback-Zeit, die bei weniger als einem Jahr liegen soll, gegenüber 3,5 Jahren bei Si.

Auch kann stabiles Arbeiten über 20 Jahre vorausgesagt werden. Dr. Oliver Lang von Solarc unterstrich die Bedeutung der Sonnenenergie und demonstrierte die Größenordnung der Energie, die bislang so wenig genutzt wird, liefert doch die Sonne mit 220 x 1012 kWh/Jahr rund 2000mal die Energie, die auf der ganzen Erde benötigt wird. Die größte in Deutschland installierte Anlage liefert 18 MW, und das Deutschland von der Sonne gar nicht so vernachlässigt wird, zeigt die Tatsache, dass wir mit Mexiko konkurrieren können, sind doch die Tage bei uns länger.

Die Effizienz der einzelnen Solarsysteme gibt Dr. Lang mit 10 % für Dye, 13% für a-Si, 16% für CdTe, 18% für CIGS und 30% für GaAs an (GaAs liefert als Multijunktion sogar 40%). Die Firma Solarc befasst sich u.a. mit flexiblen Solarzellen in Textilien und arbeitet da mit Bogner, Zegna und Triumph zusammen. Dr. Lang erwartet bereits für 2010 Wirkungsgrade bis 22% und sieht unzählige Applikationen in kleinen handheld Geräten wie Handys. Dr. Jens Hauch von Konarka, einem Pionier der PV aus USA zeigte auch einen low cost Ansatz. Die vorgestellte Fertigungs-Technologie verwendet noch wie viele andere Systeme einen ITO Layer, ist aber low cost, da kein Reinraum benötigt wird und keine hohen Temperaturen. Zudem ist die Fertigung skalierbar und kann sowohl Coating wie Drucktechnik einsetzen und somit bestehende Kapazitäten nutzen.

Die Firma arbeitet an einer PV-Faser, die zur Energieerzeugung genutzt wird und deren Zelle derzeit 0,6V/13 mA liefert. Konarka fertigt heute Solarzellen mit einer Leistung von 1 Gigawatt im Jahr und strebt für 2010 Parameter an wie 85mW/g und 50 Dollar/Meter Solarzelle, die dann von Rolle zu Rolle gefertigt wird. Was die Lebensdauer angeht kann man bei Glas gekapselten Versionen von 10…15 Jahren ausgehen und bei Kunststoff von 5…8 Jahren. Als Biegeradius der flexiblen Zellen scheinen in Zukunft zwei Zoll realistisch. Wegen der hohen Kosten des bei organischen Solarzellen verwendeten ITO setzt Dr. Michael Niggemann vom Fraunhofer ISE in Freiburg auf die ITO-freie Zelle.

Das BOM einer organischen Solarzelle setzt sich zusammen aus 16€ für den Donor, 25€ für den Acceptor und 37€ für das „Gehäuse“. Die ITO PET-Folie schlägt mit 100€/m2 zu Buche und ist somit der teuerste Faktor. Dr. Niggemann ersetzt in einer ITO-freien Architekturen die ITO-Elektrode durch eine transparente Polymeranode, die durch eine Metallstruktur unterstützt wird. Um das effizient zu fertigen wird die Depositionssequenz der Elektroden im Vergleich zur Standard organischen Zelle invertiert.

Die Solarzelle wird auf der Kathode aufgebaut, anstelle auf einer Polymeranode. Die so aufgebaute Zelle zeigte denselben Wirkungsgrad wie eine Standardzelle. Mit der ITO-freien Zellen sind 0,58€/W zu erzielen, deutlich unter den sonst angestrebten 1€/W. Dr. Martin Pfeiffer von Heliatek, einer Schwesterfirma zu Novaled (siehe elektronik industrie LED Sonderheft 3-2008, S.14) strebt mit seinem Verfahren ebenfalls 0,5…1€/W an und wird dies mit einem Vakuumprozess kleiner Moleküle erreichen.

Der Vakuumprozess eignet sich für die Großserienfertigung und benötigt keine Temperaturschritte, außerdem führt er zu hoher Effizienz und Stabilität. Der nächste Schritt wird eine P-I-N Tandemzelle sein, die mit ihren zwei C60-Absorbern das komplette Sonnenspektrum abdecken. Die Absorber sind im Interferenzmaximum positioniert, sind langzeitstabil und durch verlustfreie Tunnelrekombination sind die Verluste der Zelle gering. Die Fertigung started demnächst, die guten Ergebnisse dieser Zelle wurden z.B. durch Untersuchungen bei Bosch bestätigt (sb).

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