Organische Solarzellen komplett aus dem Drucker

19. Mai 2013, 14:44
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Forscher ersetzen teuren Rohstoff Indium durch Silber-Nanodrähte

Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben einen Weg gefunden, organische Solarzellen lichtdurchlässig herzustellen und dabei auf den teuren Rohstoff Indium zu verzichten. Die Wissenschafter ersetzten die bisher üblichen Elektroden aus Indiumzinnoxid (ITO) durch Silber-Nanodrähte. Abgesehen von der geringeren Produktionskosten ergeben sich mit den Silberdrähten effizientere Herstellungsverfahren: Semitransparente Solarzellen können nun komplett im Druckverfahren produziert werden.

Organische Solarzellen unterscheiden sich deutlich von gewöhnlichen Siliziumzellen, die aus Freilandanlagen oder von Hausdächern bekannt sind. Die für den Photoeffekt verantwortlichen Schichten bestehen bei organischer Photovoltaik aus rein synthetisch hergestellten Materialien, speziellen Polymeren und Fullerenen. Mit dem synthetischen Material verbinden sich viele Vorteile: Die Solarzellen sind dünn wie Klarsichthüllen und biegsam. Sie können lichtdurchlässig und in verschiedenen Farben hergestellt werden. Durch diese Besonderheiten eignen sie sich – anders als kristalline Solarzellen – auch für den Einsatz in Textilien und als Gestaltungselemente in der Architektur, beispielsweise an Fassaden oder in Fenstern.

Teuer in der Anschaffung und Verarbeitung

Ein Hemmschuh für den kommerziellen Durchbruch organischer Solarzellen sind bisher die Kosten, Effizienz und Haltbarkeit. Insbesondere die Kosten werden durch die Ergebnisse der FAU-Wissenschafter sinken – vor allem semitransparente Solarzellen erhalten einen Entwicklungsschub. Die Herstellung dieser Zellen verlangte bisher den Einsatz von ITO als Material für die Elektroden: Es war das einzige Material, das die notwendigen guten elektrischen Leiteigenschaften mit der benötigten Lichtdurchlässigkeit der Elektroden verband. Über die Elektroden fließen die in der photoaktiven Schicht erzeugten Ladungen als Strom ab. Indium ist dabei nicht nur ein kostenintensiver Rohstoff, das Indiumzinnoxid muss bei der Herstellung zudem in einem teuren Vakuumprozess verarbeitet werden. Dafür fällt bei der Produktion der größte Teil der Energie an.

Dem Materialwissenschafter Fei Guo und seinem Team gelang es nun, ITO durch feinste Silberdrähte als Elektroden zu ersetzen. Die Forscher spannten ein Drahtnetz mit einer Dicke im Nanometerbereich über die photoaktive Schicht der Solarzellen: elektrisch leitfähig und gleichzeitig grobmaschig genug, um genügend Licht in die Zelle und durch sie hindurch zu lassen. Die Tests an Referenzzellen ergaben, dass diese neue Variante bezüglich ihrer Leistung gleichauf liegt mit den konventionell hergestellten organischen Solarzellen. Mit 63 Prozent Füllfaktor – einer der Indikatoren für die Effizienz von Solarzellen – erreichten die Forscher sogar den höchsten bisher dokumentieren Wert für organische Solarzellen, die in einem reinen Druckverfahren hergestellt wurden. Bei mehr als 50 hergestellten weiteren Zellen bewegte sich der Füllfaktor mit 58 bis 62 Prozent nur geringfügig darunter.

Gedruckte Solarzellen

Neben ähnlicher Leistungsfähigkeit bietet das neue Material  deutliche Vorzüge: Silber-Nanodraht ist wesentlich günstiger als ITO und auch die Produktion wird kostengünstiger und weniger energieintensiv: Semitransparente Solarzellen können nun komplett im Druckverfahren produziert werden. Die einzelnen Komponenten sind dabei in Flüssigkeit gelöst und werden als Tinte auf eine dünne Plastikfolie nacheinander aufgedruckt und getrocknet. Der Vakuumprozess entfällt. Auf vergleichsweise einfache Weise können so riesige Solarbögen hergestellt werden. (red, derStandard.at, 19.05.2013)

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