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Organische Solarzellen: Funktion und Potenziale
Die Herstellung von Photovoltaikzellen erfordert viel Energie. Konventionelle Module sind meist starr und daher nicht überall einsetzbar. Mit organischen Photovoltaikzellen ändert sich das: Denn die sogenannten Plastiksolarzellen bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die sich ohne Hochtemperaturverfahren auf flexible Folien aufbringen lassen. Die Zellen kommen ohne gefährliche Stoffe aus und sind für einen breiten Einsatzbereich geeignet. Zwei Punkte stehen der flächendeckenden Verbreitung allerdings noch im Weg, wie die folgenden Abschnitte zeigen.
Die Themen im Überblick:
Aufbau, Funktion und Herstellung: Was sind Plastiksolarzellen?
Wie einleitend beschrieben, bestehen organische Solarzellen oder Plastiksolarzellen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Diese enthalten eine spezielle Elektronenstruktur und wirken dadurch wie klassische Halbleiter. Das heißt: Trifft Licht auf die Zellen, setzen sich Ladungsträger in Bewegung. Es entsteht eine Spannung, die sich mit Kontakten an der Oberfläche abnehmen lässt.
Entwicklung organischer Solarzellen im Versuch-Irrtum-Verfahren
Während konventionelle Photovoltaikzellen aus Silizium bestehen, ist die Materialwahl bei organischen Solarzellen eine große Herausforderung. Denn es stehen verschiedenste Lösungen zur Verfügung, deren Wirkung nicht immer von vornherein bekannt ist. Forscher setzen dabei zumeist auf Versuch-Irrtum-Verfahren, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Voraussetzung dafür ist, dass:
- organische Solarzellen viel Licht absorbieren
- interne elektrische Widerstände klein sind
- Kunststoffe trotz der Strahlung lange halten
Große Potenziale liegen dabei in sogenannten Tandemzellen, welche aus mehreren übereinander angeordneten organischen Halbleitern bestehen. Die einzelnen Schichten absorbieren dabei unterschiedliche Teile des Lichts und erreichen gemeinsam höhere Wirkungsgrade.
Herstellung der Plastiksolarzellen verbraucht weniger Energie
Aufwendige Reinigungsschritte und energieintensive Hochtemperaturverfahren sorgen bei der Herstellung konventioneller Photovoltaikzellen für einen hohen CO2-Ausstoß. Geht es um die Herstellung organischer Solarzellen, stellt sich das oft anders dar. Denn hier kommen in der Regel Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren zum Einsatz, um die Polymere auf eine meist flexible Trägerschicht zu bringen. Die Verfahren sind schnell, verbrauchen vergleichsweise wenig Energie und kommen oft auch ohne gefährliche Chemikalien aus.
Einsatzgebiete der organischen Photovoltaik sind unbegrenzt
Konventionelle Zellen wandeln maximal 30 Prozent der auftreffenden solaren Strahlung in elektrische Energie um. Sie erreichen damit aktuell zwar höhere Wirkungsgrade als organische Solarzellen, lassen sich allerdings nicht unbegrenzt weiterentwickeln. Letzteres funktioniert bei den Plastiksolarzellen beispielsweise durch das Aufschichten verschiedener Halbleiter.
Die energiesparende Herstellung, der Druck auf flexible Trägermaterialien und der potenziell sehr hohe Wirkungsgrad sorgen dabei für nahezu unbegrenzte Einsatzgebiete. Ob auf dem Dach, im Bereich der Elektromobilität oder an verschiedensten Oberflächen: Die Solarzellen neuester Technik könnten in Zukunft Lösungen für viele Bereiche bieten.
Vorteile und Nachteile der organischen Solarzellen
Plastiksolarzellen zur Stromerzeugung lassen sich schnell und günstig herstellen. Sie ermöglichen eine hohe Energieeffizienz und tragen einen großen Teil zum Umwelt- und Klimaschutz bei. Aus technischer Sicht liegen die größten Vorteile in der Flexibilität. Organische Solarzellen sind sogar transparent herstellbar und für den Einsatz in verschiedensten Bereichen geeignet.
Nachteilig sind aktuell jedoch die vergleichsweise geringen Wirkungsgrade, welche im Labor bei etwa 15 und in der Praxis häufig unter zehn Prozent liegen. Trotz niedriger Kosten zieht dies einen hohen Flächenbedarf nach sich. Ein negativer Aspekt ist außerdem die fehlende Langzeiterfahrung und -stabilität. Das Problem hierbei: Sonnenlicht, welches für die Funktion organischer Solarzellen unabdingbar ist, zersetzt die Kunststoffe mit der Zeit. Forscher arbeiten jedoch mit Hochdruck daran, die Nachteile der Plastiksolarzellen durch neue Materialmixe und Technologien in den Griff zu bekommen.
Die folgende Tabelle stellt die wichtigsten Vorteile und Nachteile im Überblick dar.
| VORTEILE | NACHTEILE |
|---|---|
| günstige und schnelle Herstellung | aktuell noch geringe Wirkungsgrade |
| Produktion benötigt wenig Energie | Zersetzung der Kunststoffe durch Licht |
| flexibel und transparent herstellbar | fehlende Langzeiterfahrung |
| vielfältige Einsatzbereiche | |
| Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz | |
| (geringer Energieverbrauch und erschwingliche, | |
| vielseitig einsetzbare Technologie) |
Marktreife und Perspektive: Werden organische Solarzellen kristalline ersetzen?
Auch wenn Plastiksolarzellen zur Stromerzeugung heute noch nicht marktreif sind, arbeiten Forscher mit Hochdruck daran, diese Schwelle zu erreichen. Denn organische Solarzellen sind vielversprechend und ein wichtiger Baustein, wenn es um die 100-prozentige Versorgung mit erneuerbaren Energien geht. Gründe dafür liegen in den vergleichsweise geringen Herstellungskosten, dem Verzicht auf giftige Stoffe und der flexiblen Gestaltung, die den vielseitigen Einsatz der Technik ermöglicht. Finden Forscher die richtige Materialzusammensetzung, um den Wirkungsgrad zu steigern und eine hohe Langzeitstabilität zu erreichen, könnten Module mit organischen Halbleitern kristalline Solarzellen in Zukunft verdrängen.
FAQ
Wie beeinflusst die Flexibilität von organischen Solarzellen deren Anwendungsbereiche?
Die Flexibilität von organischen Solarzellen eröffnet vielfältige Anwendungsbereiche, die mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen nicht realisierbar sind. Aufgrund ihrer anpassungsfähigen Eigenschaften können organische Solarzellen auf gekrümmten Oberflächen und in tragbaren Geräten eingesetzt werden. Sie sind ideal für die Integration in Gebäudefassaden, Fahrzeugdächern und sogar in Kleidung. Diese Flexibilität ermöglicht innovative Lösungen für die Energieversorgung in schwer zugänglichen oder mobilen Anwendungen, was sie besonders attraktiv für den Einsatz in der Architektur und im Bereich Konsumelektronik macht.
Welche Fortschritte gibt es bei der Effizienz von organischen Solarzellen?
Die Effizienz von organischen Solarzellen hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Moderne Forschung und Entwicklung haben es ermöglicht, die Lichtausbeute und Energieumwandlungsraten dieser Zellen zu steigern. Während frühe Versionen von organischen Solarzellen Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent aufwiesen, erreichen aktuelle Modelle Effizienzen von über 15 %. Diese Fortschritte sind auf optimierte Materialien, innovative Zellstrukturen und verbesserte Herstellungstechnologien zurückzuführen. Die stetige Verbesserung der Effizienz macht organische Solarzellen immer konkurrenzfähiger gegenüber traditionellen Solarzellen.
Welche Umweltvorteile bieten organische Solarzellen im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen?
Organische Solarzellen bieten gleich mehrere Umweltvorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Zum einen benötigen sie in der Herstellung deutlich weniger Energie, was ihren ökologischen Fußabdruck verringert. Zum anderen können organische Solarzellen potenziell aus nachhaltigeren und weniger toxischen Materialien hergestellt werden, was die Umweltbelastung während der Produktion reduziert. Darüber hinaus sind sie leichter und flexibler, wodurch der Transport und die Installation einfacher und energieeffizienter ablaufen.
Fazit von Alexander Rosenkranz
Organische Solarzellen bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die sich mit geringen Herstellungskosten und ohne hohen Energieeinsatz auf verschiedenste Trägermaterialien aufbringen lassen. Auch wenn der Wirkungsgrad der Technik heute noch vergleichsweise gering ist, könnte sie konventionelle Photovoltaikzellen in Zukunft ablösen.
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