Photovoltaik für gestalterische Anwendungen

Seit 15 Jahren wird weltweit an der Farbstoffsolarzelle geforscht. Anders als bei herkömmlichen Solarzellen wandelt hier ein organischer Farbstoff Licht in elektrische Energie um. Die Herstellung von Farbstoffsolarzellen geschieht durch einfachen Siebdruck und bietet somit vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten.

Variable Gestaltung

Für Fassaden und Werbezwecke ergeben sich mit den am Fraunhofer ISE entwickelten Prototypen ganz neue Möglichkeiten der Gestaltung. Die als Prototypen entwickelten Module sind zunächst bernsteinfarben transparent. Diese Farbe kann dann durch Filter variiert werden. Farbige Pasten heben das Muster der Versiegelungsstruktur hervor oder lassen die Oberfläche einheitlich erscheinen. Durch Bedrucken mit streuenden Schichten können innerhalb der Module beliebige Bilder und Schriftzüge ohne nennenswerten elektrischen Leistungsverlust gestaltet werden. In Verbundprojekten mit deutschen und europäischen Forschungspartnern wurden am Fraunhofer ISE Materialien und Herstellungsverfahren optimiert.

In der Farbstoffsolarzelle wird eine kleine Menge eines gelierbaren Elektrolyten zum Transport der Ladungen zwischen den Elektroden eingesetzt. Am Fraunhofer ISE ist uns mit siebgedrucktem Glaslot jetzt der entscheidende Schritt in Richtung Serienfertigung gelungen. Das Glaslot versiegelt die Glasplatten hermetisch nach außen und schützt im Inneren die empfindlichen Materialien vor Degradation. Ein beschleunigter Alterungstest von mehreren 1 000 Stunden bei unterschiedlichsten Bedingungen zeige die gute Langzeitstabilität der Zellen. Umfangreiche Tests zur Zertifizierung gemäß der Standard Testnorm für photovoltaische Module müssen in weiterführenden Projekten an Testanlagen durchgeführt werden.

Für Demonstrationszwecke hat das Fraunhofer ISE mehrere 30 x 30 cm² große Glaslot-Farbstoffsolarmodule grafisch unterschiedlich gestaltet. In den Modulen sind jeweils 6 Solarzellen intern hintereinander geschaltet. Das ergibt etwa 4,4 V Spannung und 1,1 A Strom sowie einen Wirkungsgrad von 3%. Durch Verbesserung der Drucktechnik halten wir in den nächsten zwei Jahren einen solaren Wirkungsgrad von bis zu 5% auf 60 x 100 cm² großen Flächen für realisierbar. Voraussetzung hierfür ist ein entsprechendes Demonstrationsprojekt. Auf einer Fläche von nur 1 cm² hat ein Kalibrierlabor in Japan bereits einen Wirkungsgrad von 10,4% berichtet.

Das Projekt ColorSol

Im Projekt „ColorSol – Nachhaltige Produktinnovation durch Farbstoffsolarzellen“ werden marktfähige Produktkonzepte für die Nutzung von Farbstoffsolarzellen in Gebäudefassaden sowie für die netzunabhängige Anwendung erstellt und in Prototypen demonstriert. Das Projekt ColorSol wird exemplarisch mit vier zentralen Unternehmen der zukünftigen Wertschöpfungskette durchgeführt. Es werden gezielt weitere Unternehmen und Investoren gesucht, die Interesse an den Arbeiten zu einer Herstellungs- und Vermarktungskooperation für Farbstoffsolarzellen haben. Die breit gefächerte Wertschöpfungskette von Farbstoffsolarmodulen kann durch ein Konsortium aus der freien Wirtschaft abgedeckt werden. Es eröffnen sich neue Absatzmärkte für Nanopartikel, Siebdruckpasten und Feinchemikalien. Die Herstellung kann in bestehende Prozesse zur Veredlung von Flachglas integriert werden. Der hohe Neuigkeitswert von Farbstoffsolarmodulen bietet gute Chancen für die erfolgreiche Schöpfung und Umsetzung von ertragreichen Produktideen.|

Farbstoffsolarzellen sind elektrochemische Dünnschichtsolarzellen. Sie verfügen über nano­kristalline Elektroden aus Titandioxid, in die eine Schicht aus organischen Farbstoffen auf der Basis von Ruthenium eingebettet ist. Damit kann eine höhere Lichtausbeute und ein besserer Elektronentransfer vom Lichtabsorber zur Elektrode erreicht werden. Für Farbstoffsolarzellen ergeben sich aus zwei Gründen vollständig neue Anwendungsgebiete: Für ihre Produktion kommen im Vergleich zur Siliziumtechnik kostengünstigere und einfachere Herstellungsverfahren aus der Siebdrucktechnik zur Anwendung. Außerdem erlaubt die Technologie größere Freiheitsgrade für das Design.

Durch Umweltwirkungsabschätzungen sowie die Ermittlung wirtschaftlicher und entwicklungspolitischer Potenziale soll mit dem Projekt ColorSol die Erhöhung der Richtungssicherheit der Entwicklungen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung erreicht werden. Weiterhin werden Gestaltungskonzepte für eine umweltgerechte Produktentwicklung von Farbstoffsolarzellen erstellt. So sollen Umweltbelastungen reduziert, neue Märkte und Arbeitsplätze geschaffen und mit Blick auf Anwendungen in Entwicklungs- und Schwellenländern entwicklungspolitische Ziele einer nachhaltigen Entwicklung erreicht werden.

Weitere Informationen: http://www.colorsol.de

Dr. Andreas Hinsch ist Physiker und forscht seit Anfang der 1990er Jahre auf dem Gebiet der Farbstoffsolarzellen. Von 2001 an hat er eine Arbeitsgruppe zu Farbstoff- und organischen Solarzellen am Fraunhofer ISE etabliert. Dr. Hinsch ist ein bekannter Experte auf dem Gebiet der Farbstoffsolarzellen mit Fokus auf Herstellungsverfahren. Kürzlich hat er zwei nationale Netzwerkprojekte zu organischen und polymeren Solarzellen koordiniert.