Solarzellen auf Polymerbasis
- Bild 1: Forschungs- und Begegnungsstätte: der Curie-Bau der TU Ilmenau (Bild: Saul)
Handgefertigte Spitzentechnologie Made in Ilmenau
von Cornelius Albert, Tino Gerdesius, Benjamin Liedtke und Sebastian Saul
Die auch bei uns jüngst wieder spürbaren Folgen globaler Erwärmung lassen die Rufe nach alternativen Energien erneut vermehrt erhallen. Unabhängig von den periodisch auftauchenden und leider oft genug auch wieder ungehört verklingenden Stimmen aus Medien und Politik betätigen sich Wissenschaftler weltweit seit Jahrzehnten auf dem Gebiet der Erforschung und Weiterentwicklung umweltverträglicher Energiequellen. Die Photovoltaik hat dabei heute schon längst den Weg in das Bewußtsein von Bevölkerung und Politik – und in den Alltag gefunden. Sie findet nicht mehr nur entfernt an Raumstationen und Kommunikationssatelliten, sondern für jedermann spürbar Verwendung. Sei es in Form von Insellösungen auf Parkuhren oder im flächendeckenden Einsatz auf Hausdächern und in Solarparks.
Heute befinden wir uns an einem Punkt, an dem die Nutzung der Sonnenenergie den Kinderschuhen entwachsen ist und mehrere technologische Spielarten der Photovoltaik miteinander konkurrieren. Neben der althergebrachten Verwendung von Siliziumzellen betreiben Forscherteams weltweit die Suche nach verbesserten Methoden, um großflächig und marktattraktiv Solarstrom erzeugen zu können.
Im thüringischen Ilmenau, am Institut für Experimentalphysik der dortigen Technischen Universität (Bild 1) entstehen sie, die Energielieferanten der Zukunft. Das Forscherteam um Prof. Dr. Gobsch und Dr. Hoppe (Bild 3) entwickelt hier zukunftsweisende Solarzellen auf Polymerbasis.
Dr. Hoppe, der seine Diplomarbeit über das Thema „Polymere Gemische in dünnen Filmen“ am Weizmann Institut der Wissenschaften in Rechowot, Israel verfasste, kam 2005 an die TU Ilmenau und verstärkte das Team um Prof. Dr. Gobsch. Seither befasst er sich mit dem Aufbau einer organischen Sektion, welche mit der von Dr. Goldhahn geleiteten anorganischen Sektion im Fachgebiet Experimentalphysik I angesiedelt ist. Die Herstellung der Plastiksolarzellen befindet sich hier zur Zeit noch im Erprobungsstadium. Einzelne Zellen werden in Handarbeit produziert und analysiert - laut Dr. Hoppe eine "typische Forschungsarbeit".
Die erstaunlichen Fortschritte auf dem Gebiet der Solarzellenforschung sind jedoch nicht nur allein diesem einen Fachgebiet zu verdanken. Auch andere Institutionen wie das Zentrum für Mikro- und Nanotechnologie oder der Lehrstuhl für Chemie von Prof. Dr. Scharff der TU Ilmenau leisten Ihren Beitrag dazu. Zu schätzen weiss Dr. Hoppe auch die Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Mikromechanische Systeme, welches der Arbeitsgruppe seine Reinraum-Anlagen zur Verfügung stellt. Dies ermöglicht den Wissenschaftlern ein sehr sauberes Arbeiten – und das ist auch notwendig. Da die Schichtdicken der Polymerzellen in einem sehr geringen Bereich liegen ist „jedes Staubkorn ein Mount Everest im Vergleich zu der Schichtdicke“, so Dr. Hoppe (Bild 2).
- Bild 2: Handarbeit im Mikrometerbereich: Polymersolarzellen aus Ilmenau (Bild: Saul)
Bei der Entwicklung von Innovationen im Bereich der Photovoltaik wird gleichzeitig auch auf nationale und internationale Zusammenarbeit gesetzt. So bestehen intensive Forschungsbeziehungen zum TITK Rudolstadt, der FSU Jena, sowie dem Lehrstuhl für Organische Solarzellen von Prof. Dr. Serdar Sariciftci der Unversität von Linz.
Prof. Sariciftci ist einer der Mitbegründer der Plastiksolarzellentechnologie.
Diese entstand Anfang der 1990er Jahre am Lehrstuhl von Prof. Alan Heeger an der Universität Santa Barbara/USA. Prof. Heeger wurde im Jahr 2000 mit dem Nobelpreis im Fach Chemie für seine Entwicklung im Bereich der leitenden Polymere ausgezeichnet.
Noch zur Jahrtausendwende lag die Effizienz von Plastiksolarzellen unter Sonnenlichteinstahlung bei maximal einem Prozent. Den Ilmenauer Forschern ist es aber gelungen die Leistungsfähigkeit der Zelle Ende des Jahres 2005 auf eine Leistungsfähigkeit von 5% zu steigern. Weitere Verbesserungen werden angestrebt und sind für Dr. Hoppe Ziel seiner Arbeit.
Auf lange Sicht wird die Entwicklung der Forscher zwar deutlich unter den Energieumwandlungs-Effizienzen von herkömmlichen Zellen bleiben, aber spätestens bei einer Effizienzrate von 10% wird die Plastiksolarzelle „furchtbar interessant, ökonomisch sowie ökologisch“, wie Dr. Hoppe betont.
- Infografik: Effizienzsteigerung von 0,1% auf über 5%: Polymertechnik auf dem Vormarsch (Grafik: Saul)
Erlauben wir uns zur Veranschaulichung der Entwicklung einen kurzen Blick in die Geschichte. An den Polymersolarzellen wird seit ungefähr 20 Jahren gearbeitet. Vor 15 Jahren lagen die Effizienzen in noch sehr geringen Bereichen von 0,1%. Bemerkenswerte technologische Sprünge passierten erstmals zur Jahrtausend-wende als die erreichten Effizienzen von grob 1% auf über 2% kletterten. Seither ging es kontiniuierlich weiter, sodass im Jahr 2005 die 5%-Leistungsgrenze zum ersten Mal überschritten wurde (Infografik).
Weitere Entwicklungen hängen nun von der Verbesserung der verwendeten Materialsysteme ab. Neben der fortlaufenden Optimierung existierender Materialien bedarf es hierbei auch der Entwicklung neuer Materialien welche höhere Effizienzen zulassen, indem sie sich z.B. durch eine breitere Absorption des Sonnenlichtspektrums auszeichnen.
- Bild 3: Forschen für ein gesundes Klima: Dr. Harald Hoppe und Joachim Renz (Bild: Saul)
Zwar wird der Wirkungsgrad mono-kristalliner Siliziumplatten mit einer Effizienz von 20% im Polymerbereich noch lange Zeit unerreicht bleiben, dennoch zeigt die Technologie ihre Vorteile, die ihr mittelfristig Erfolg bescheren werden. Bei der Produktion wird sich die Polymersolarzelle als wesentlich kohlendioxidneutraler erweisen als die energie-intensiver herzustellende Siliziumzelle. Grund dafür ist die zukünftig angestrebte Herstellung im Druckverfahren. Vorstellbar ist die massenhafte Produktion, wie man sie vom Druck von Tageszeitungen kennt. Ungeheure Stückzahlen werden innerhalb kürzester Zeit energiesparend und kostengünstig einfach gedruckt. Die leichten und flexiblen, da biegsamen Zellen können dann den Weg auf nahezu jeden vorstellbaren Träger - und so Einzug in viele Lebensbereiche – finden. Daher ist es nur eine Frage der Zeit bis die Plastiksollarzelle ihren Weg in die Industrie und damit auch zum Endverbraucher findet.
Dies wird zunächst in Nischenanwendungen stattfinden, in denen nicht die Gesamteffizienz ausschlaggebend ist, sondern die neuartigen Eigenschaften der Plastikzelle eine Rolle spielen. Vorstellbar sind Anwendungen im gesamten Freizeitbereich, z.B. Zelte aus Solarzellen mit eigener Stromversorgung für Radio, Handy oder Wasserkocher.
Langfristig, in Schritten von 10-15 Jahren werden professionellere Anwendungsbereiche hinzustoßen können – weitere Forschungsarbeit und Förderung vorausgesetzt.
Die umfangreichen staatlichen Fördermaßnahmen auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien im letzten Jahrzehnt liessen die Frage aufkommen, ob sich diese Investitionen jemals auszahlen würden. Auch Dr. Hoppe hat diese Entwicklung kritisch betrachtet, ist aber mittlerweile der Ansicht, dass der eingeschlagene Weg richtig war - selbst rein wirtschaftlich betrachtet. Erst durch die Fördergelder ist es vielen Firmen in Deutschland möglich gewesen, wirtschaftlich zu arbeiten. Sie haben so eine gewisse Marktgröße erreichen können, was ihnen ein solides Fundament in einem globalen Wachstumsmarkt bietet. Ein weltweites Umdenken in Umweltfragen wird in Zukunft einen vermehrten Rückgriff auf hier entwickelte Technologien bedeuten. Fortlaufende Forschung bleibt aber eine Grundlage, um auch weiterhin eine Spitzenposition innehalten zu können. Für Dr. Hoppe verbindet sich dies mit dem Wunsch, an der TU Ilmenau mehr von staatlichen Förderungsbemühungen zu spüren zu bekommen, um seine Jagd nach den 10% Effizienzrate der Polymersolarzellen weiter erfolgreich betreiben zu können.