Organische Solarzellen

Es ist altbekannt: Eine Leuchtdiode spendet Licht, eine Solarzelle liefert Strom. Trotz der unterschiedlichen Nutzung besitzen beide im Prinzip den gleichen Kern: eine Doppelschicht aus Elektronen abgebenden bzw. aufnehmenden anorganischen Halbleitern, meist auf Silizium-Basis. Wird diese Schicht beleuchtet, so werden Elektronen freigesetzt und abgesaugt – es fließt Strom. Lässt man umgekehrt Strom fließen, so werden die Elektronen eingefangen – es leuchtet.

Auf eine Folie gedruckte organische Solarzelle auf Polymerbasis (Foto: Siemens Pressebild)

Neuerdings funkeln die Displays einiger MP3-Player bunt mit organischen Leuchtdioden. Diese nutzen eine recht neue Materialklasse – halbleitende Kunststoffe bzw. Polymere. Was liegt näher, als auch sie zur Stromgewinnung einzusetzen? Tatsächlich befinden sich diese organischen Solarzellen bereits in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium: So wie bei den anorganischen Zellen die Doppel­schicht die durch Lichteinfall frei­ge­setz­ten Elektronen trennt, nehmen in den organischen Zellen Fullerene – oder andere organische Akzeptor-Materialien – die von den Polymeren freigesetzten Elektronen auf.

Funktionsprinzip einer organischen Polymer-Solarzelle (Grafikvorlage: Universität Oldenburg)

Im Vergleich der Systeme zeigen sich die jeweiligen Stärken und Schwächen: Anorganische Zellen besitzen eine hohe Lebensdauer, müssen aber unter großem Energie- und Chemie-Einsatz hergestellt werden – erst bei etwa 2000 Grad Celsius kann man Silizium aus Sand gewinnen. Hingegen altern die organischen Zellen bisher recht schnell. Dafür können sie aber kostengünstig und umweltfreundlich in Druckverfahren auch auf flexiblen Unterlagen aufgebracht werden. So werden neue Anwendungsfelder erschlossen, beispielsweise die Energieversorgung mobiler Elektronik, Energie liefernde Bekleidungsstücke oder aufrollbare Solarpanele. Die Anschaffungskosten für beide sind derzeit vergleichbar hoch: Rund fünf Euro pro Watt Spitzenleistung. Unter einen Euro könnten sie bei den organischen Zellen fallen. Dafür müssen die organischen Moleküle für die Stromerzeugung optimiert werden: Bisher werden nämlich meist Materialien genutzt, die für Leuchtdioden entwickelt wurden. Mit dem dann höheren Wirkungsgrad von vielleicht zehn statt derzeit zwei bis fünf Prozent könnte die Energie liefernde Fläche zudem kleiner ausfallen.

Aufbau einer organischen Solarzelle auf Polymerbasis (Grafik: Uni Oldenburg)

Schon vor über zehn Jahren versprach eine andere organische Zelle billigen Solarstrom: Die Grätzel-Zelle setzt organische Farbstoffe als innere Elektronenpumpe ein. Auch die Farbstoff-Zellen können inzwischen auf flexiblen Kunststoffträgern aufgebracht werden. Ihre Markteinführung wird für die nähere Zukunft erhofft. Mittlerweile erreichen aber anorganische Zellen – als Dünnschicht-, Tandem-, Triplett- oder Konzentratormodule mit Sonnennachführung – im Labor hohe Wirkungsgrade bis fast 40 Prozent. Die organischen Schwestern werden ihnen daher beim subventionierten Stromeinspeisen in das Netz nicht so schnell Konkurrenz machen. Es wird vermutlich etwas dauern, bis sie Anwendungsnischen erobern, etwa die Energieversorgung kurzlebiger mobiler Unterhaltungselektronik, und aus ihnen herauswachsen können.

Axel Kampke