Organische Solarzellen - Interview mit Dr. Jens Hauch und Alexander Valenzuela

Solarzellen auf organischer Basis sind ein hoch spannendes Thema –
ihnen werden in vielfacher Hinsicht hohe Marktpotenziale vorausgesagt.

Frederik Wagner sprach für ? green mit Dr. Jens Hauch und Alexander Valenzuela von der Konarka Technologies GmbH über den aktuellen Entwicklungsstand und die Perspektiven dieser Technologie.

Herr Hauch, Herr Valenzuela, seit der vergangenen EUPVSEC im September 2009 steht OPV (Organische Photovoltaik) stärker im Interesse der Öffentlichkeit – was zeichnet diese Technologie aus?

Hauch: Die organische Photovoltaik hat Eigenschaften, die man bei den konventionellen Solarzellen nicht findet. Herausragend ist dabei die Prozessierbarkeit aus Lösungen, die dazu führt, dass man die Module in einem Druckprozess mit sehr geringem Energieverbrauch herstellen kann. Darüber hinaus werden die Halbleiter der organischen Photovoltaik synthetisch hergestellt, und es ist möglich, diese in unterschiedlichen Farben wie z.B. Rot, Grün oder Blau herzustellen.

Valenzuela: Weitere Eigenschaften, die neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen, sind ein gutes Schwachlichtverhalten, intrinsische Semi-Transparenz der Halbleiterschichten und ein positiver thermischer Koeffizient, die dazu führen, dass sich die Effizienz verbessert, wenn sich die Module durch die Sonneneinstrahlung erwärmen.

Die Bundesregierung will innerhalb der nächsten Jahren die gesamte Solarforschung in Deutschland bis 2013 mit 100 Mio. Euro Fördergelder ausstatten – unseren Informationen nach hat Konarka alleine in die Forschung und Entwicklung der organischen Solarzellen bereits 150 Mio. Dollar investiert. Hier scheinen der Bundesregierung die Potenziale der Solarenergieerzeugung und somit die Möglichkeiten zur Wertschöpfung und Schaffung neuer Arbeitsplätzen entgangen sein – wie sehen Sie diese Situation?

Hauch: Das stimmt so nicht. Die Bundesregierung hat das Potenzial dieser Technologie schon vor Jahren erkannt. Seit 2007 beteiligt sich das BMBF an der Förderinitiative Organische Photovoltaik. In dieser Initiative investieren die Unternehmen BASF, Bosch, Merck und Schott zusammen mit dem BMBF eine Gesamtsumme von 360 Mio. Euro, wovon das BMBF 60 Mio. Euro bereitstellt. Innerhalb dieser Initiative kooperiert Konarka mit Merck und Schott an gemeinsamen Entwicklungen.

Wie betreiben Sie die Forschungsarbeiten – nutzen Sie hier Synergien von strategischen Partnerschaften – wer sind diese Partner?

Hauch: Um das volle Potenzial der OPV zu entfalten sucht Konarka ständig nach Partnern, die komplementäre Stärken haben, mit denen wir unser weltweit führendes Entwicklungsteam in diesem Feld weiter unterstützen können. Dafür kooperiert Konarka sowohl mit führenden akademischen Gruppen, als auch kommerziellen Partnern wie Total, Konica-Minolta, Merck und Schott. Dabei versuchen wir nicht nur Synergien zu nutzen, sondern wollen in diesem sich rapide entwickelnden Feld auch neue Impulse setzen.

Wann begann die Geschichte von Konarka? Wo sind Wurzeln und was sind die Meilensteine, auf die Sie bereits zurückblicken können?

Valenzuela:Konarka wurde in 2001 als Spin-out der University of Masschusetts in Lowell gegründet. Zu den wichtigen Meilensteinen gehörte die Lizensierung des Grundpatents für die organische Photovoltaik von Alan Heeger, der auch einer der Gründer von Konarka war. Es folgten die Akquisitionen der OPV-Aktivitäten der Johannes-Kepler- Universität in Linz in 2002 und von Siemens in 2004. Am wichtigsten jedoch war der Kauf und Umbau der ehemaligen Polaroidbeschichtungsanlage in New Bedford, MA in 2008, wo heute Power Plastic® produziert wird. Ende 2009 kam die Markteinführung unseres ersten Produkts, und wir sehen jetzt immer steigendes Interesse von innovativen Firmen, die unsere Module nutzen, um ihre eigenen Produkte mit neuen, innovativen Funktionalitäten auszustatten.

Im Bereich der bekannten PVDünnschicht- Technologien werden verschiedene Ansätze verfolgt und am Markt angeboten – gibt es auch im Bereich der organischen Solarzellen verschiedene Lösungsansätze, welchen Weg verfolgt Konarka und warum?

Hauch: Es gibt mehrere Ansätze für die organische Photovoltaik. Neben der polymeren Photovoltaik-Technologie, die Konarka verfolgt, gibt es noch die DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) und Solarzellen auf Basis von kleinen Molekülen. Die polymere Photovoltaik wurde ausgewählt wegen der außergewöhnlich einfachen Herstellungstechnik und der guten Skalierbarkeit. Konarka verwendet keine Vakuumschritte in der Herstellung und alle Prozesse werden bei Raumluft ausgeführt. Das fertige Modul besteht am Ende aus festen Einzelschichten, die Power Plastic® eine einzigartige Robustheit geben, die unsere Kunden sehr schätzen.

Haben organische Solarzellen bereits den Forschungsstatus überwunden? Das Thema OPV klingt in den Ohren der meisten Menschen in der Photovoltaik-Branche noch nach weit entfernter Zukunftsmusik.

Valenzuela: Ja. Power Plastic® wird bereits heute in Massenfertigung in unserer Produktion in New Bedford hergestellt. Die Zukunft ist hier!

Erklären Sie uns bitte, wie Ihre Zellen produziert werden – wie dürfen wir uns den Herstellungsprozess im Vergleich zu bekannten Technologien mit Blick auf kristallinen Siliziumbasierenden PV-Modulen und auch sämtlich Dünnschichtechnologien vorstellen?

Hauch: Power Plastic® wird in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren gefertigt, ähnlich dem Fertigungsprozess für Fotofilm oder hochwertige Geschenkpapiere. Dieser Prozess ist leicht skalierbar und erlaubt hohe Produktionsgeschwindigkeiten. Konventionelle Si- und Dünnfilm- Technologien benötigen generell getaktete Einzelschritte in Vakuum und bei hohen Temperaturen, welches neben hohen Investitionskosten auch einen hohen Energieverbrauch in der Fertigung mit sich bringt.

Wo sehen Sie den Einsatz von Solarzellen auf organischer Basis? Geben Sie uns bitte ein paar konkrete Anwendungsbeispiele!

Valenzuela: Die ersten Anwendungen sind im Consumer-Markt, wo zum Beispiel Taschen mit integrierten OPV-Modulen für viel Aufmerksamkeit sorgen. Mobile Ladegeräte basierend auf OPV-Modulen in unterschiedlichen Größen von 1 W bis 28 W sind ebenfalls sehr beliebt. Bald werden Sie unsere Module in unterschiedlichen Sonnenschutz-Aufbauten sehen, angefangen mit Sonnenschirmen über Carports und Markisen bis zu sehr aufwändigen Aufbauten mit hohem Anspruch. Vor kurzem haben wir mit unserem Partner Arch Aluminum and Glass auch die erste vorgebaute Fassade mit OPV realisiert.

Aktuelle am Markt verfügbare Dünnschichttechnologien liegen bei einem Modul-Wirkungsgrad von ca. 7–12,5 % – wo pendeln sich derzeit Ihre Module im Vergleich ein?

Hauch: Organische Halbleiter werden synthetisch hergestellt und haben sich in den letzten Jahren stark verbessert. Wir erwarten in den nächsten Jahren Effizienzen von über 10 %. Bis heute wurden Zellen mit mehr als 7 % vorgestellt, und die nächste Generation der industriell relevanten Halbleiter zeigt mehr als 6 % Effizienz. Unsere Partner und Kunden sehen jedoch nicht nur Effizienz, sondern auch die Energiekosten in der Produktion über die gesamte Wertschöpfungskette, welche natürlich neben dem Drucken auch die Integration in die Applikation beinhaltet. Hier zeigen sich klare Vorteile gegenüber den Dünnschichttechnologien.

Wann werden Sie hier zu den bekannten Dünnschichttechnologien aufschließen?

Hauch: Das Potenzial der OPV ist nicht erschöpft. Neben der Verbesserung der Effizienzen von Single-Junction-Zellen glauben wir mittelfristig, dass auch durch die Nutzung von komplexeren Architekturen wie Dual- und Triple Junction-Zellen die Effizienzen auf ähnliche Werte steigen werden. Man muss jedoch auch bedenken, dass die AM1.5-Effizienz, mit der unterschiedliche Technologien verglichen werden, nicht die richtige Maßeinheit ist. Was wirklich zählt, ist die integrierte Leistung, die aus einem Modul über das gesamte Jahr verteilt gewonnen wird. Die OPV hat ein exzellentes Schwachlichtverhalten bei schlechten und diffusen Lichtverhältnissen, und produziert noch Leistung, wenn andere Technologien dies nicht mehr tun.

Valenzuela: Darüber hinaus haben wir weitere Vorteile gegenüber den Dünnschichttechnologien, die wir besonders in dem Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik nutzen wollen. Hierfür sind wir gerade dem Multielement-Konsortium mit dem Fraunhofer- Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES beigetreten. Hier werden multifunktionelle Bauelemente untersucht, in einem Umfeld, in dem es um mehr als eine reine Wp-Leistung geht. Wir schöpfen heute alle Möglichkeiten der organischen Photovoltaik aus und werden die Effizienz parallel weiter
verbessern.

Wie schaut es mit der Umweltfreundlichkeit und dem CO2- Fußabdruck Ihrer Produkte aus? Die eine oder auch andere Technologie, gerade im Bereich der Dünnschichtmodule, steht hier immer wieder mal im Fokus der Öffentlichkeit, besonders mit Blick auf die toxischen Aspekte.

Hauch: Kürzlich hat eine Studie gezeigt, dass pro produziertem Wp in der Herstellung für die OPV 10 mal weniger Energie aufgewendet und mehr als 15 mal weniger CO2 produziert wird als bei anderen Technologien. Wir verwenden keinerlei toxische Materialien in der Produktion.

Ihre Zellen werden derzeit als flexible Laminate angeboten – gibt es auch schon Ansätze, diese als Glas-Glas-Modul z.B. für die Integration in Fassaden - sprich BIPV - zu verwenden?

Valenzuela: BIPV (Building integrated Photovoltaics) ist einer der interessantesten Märkte für die OPV. Die Möglichkeit semi-transparente Module in unterschiedlichen Farben, die optisch ansprechend sind, in ein Gebäude zu integrieren, hat viele Architekten auf uns aufmerksam gemacht. Gegenwärtig haben wir zusammen mit Arch Aluminum and Glass schon die erste vorgehängte Fassade, basierend auf Glas-Glas-Modulen, demonstriert. Innerhalb des Multielementprojektes wollen wir die Vorteile der OPV in dieser Anwendung quantitativ nachweisen.

Geben Sie uns einen Ausblick, wo wir in unserem alltäglichen Leben bald auch mit Solarzellen auf organischer Basis rechnen dürfen? Den solaren Bikini (siehe aktuelles Titelblatt) gibt es ja auch schon?

Valenzuela: Wir erwarten, dass die OPV nach und nach in vielen tagtäglichen Objekten auftaucht. Aufgrund der Flexibilität, des geringen Gewichts und des dünnen Fomfaktors ist Power Plastic® ausgezeichnet für die Integration in „Smarte“-Textilien für Kleidung oder Sonnenschutz geeignet, kann aber auch in sehr kleine Objekte wie z.B. Kreditkarten integriert werden. Viele Applikationen befinden sich im Augenblick in der Entwicklung. Einige davon sind speziell auf Märkte in der dritten Welt ausgerichtet, wo die Energie-Autonomie extrem wichtig für die weitere Entwicklung ist. Bisher haben wir jedoch den Solar-Bikini noch nicht als eine große Marktlücke identifiziert.

Vielen Dank für das Gespräch!