Heliatek und IAPP erzielen Effizienzrekord für organische Solarzellen

Der Heliatek GmbH, Dresden, ist im Rahmen einer Forschungszusammenarbeit mit dem IAPP der TU Dresden ein Durchbruch bei der Effizienz organischer Solarzellen gelungen. Mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 7,7 % auf einer aktiven Fläche von 1,1 cm2 wurde ein neuer Rekord für organische Solarzellen erreicht. Der bisher höchste zertifizierte Wert für praktisch relevante organische Solarzellen lag bei 6,1%. Er wurde 2009 ebenfalls von Heliatek zusammen mit den Partnern IAPP und BASF erreicht. Die Zertifizierung der Zellen erfolgte durch das Fraunhofer ISE in Freiburg, ein unabhängiges, weltweit anerkanntes Prüflabor. Unter „praktisch relevant“ werden dabei üblicherweise Solarzellen mit einer aktiven Fläche größer als 1cm² verstanden, da diese bereits alle wesentlichen Eigenschaften großer Solarpanele aufweisen.

Die Technologie organischer Solarzellen wird seit etwa 20 Jahren von vielen Gruppen weltweit intensiv verfolgt. Durch das Erreichen dieses neuen Werts wurde ein entscheidender Fortschritt gemacht: Erstmals haben organische Solarzellen im Labor das Effizienzniveau von kommerziellen PV-Zellen aus amorphem Silizium erreicht. Somit kommen die spezifischen Vorteile organischer Solarzellen nun mehr voll zum tragen: sie können kostengünstig und mit extrem geringem Material- und Energieaufwand bei geringen Prozesstemperaturen auf preiswerte Trägermaterialien wie Glas oder Plastikfolie abgeschieden werden. Die benötigten Schichtdicken liegen im Bereich von 100 Nanometer (1/10 000mm), so dass je Quadratmeter Solarzellenfläche weniger als ein Gramm organisches Halbleitermaterial benötigt wird.

Grundlage des Erfolgs ist die von den Partnern entwickelte und patentierte so genannte „p-i-n Tandemzellen-Technologie“. Sie beruht auf einer Kombination zweier Technologien: Dotierten organischen Materialien („p-i-n-Technologie“) und der Stapelung von Solarzellen („Tandemzellen“). Die Rekordzelle nutzt speziell für die Anwendung in Solarzellen optimierte organische Farbstoffe, wobei einer den kurzwelligen Anteil des Sonnenlichts (blaues und grünes Licht) absorbiert, der andere den langwelligeren Anteil (rotes und nah-infrarotes Licht). Die Absorber sind Entwicklungen der Heliatek und ihres Investors BASF (Ludwigshafen). Dotierte organische Materialien, die die Basis der p-i-n-Technologie bilden, wurden von der Novaled AG (Dresden) primär für den Einsatz in organischen Leuchtdioden (OLED) entwickelt. Die Heliatek nutzt damit Synergien mit der OLED-Technologie, die sich im Displaybereich bereits in verschiedenen Produkten am Markt etabliert hat.

Die Heliatek-Technologie basiert auf der thermischen Abscheidung organischer Moleküle im Vakuum. Produktionsprozesse im Vakuum sind aus der Halbleiterindustrie als sehr stabil und kostengünstig bekannt. Im Feld der organischen Photovoltaik stellt die Vakuumabscheidung hingegen Neuland dar: Internationale Konkurrenzunternehmen im Bereich organischer Solarzellen nutzen lösungsmittelbasierte Druckprozesse von Polymeren, da diese bisher oft die besseren Wirkungsgrade lieferten und als billig herstellbar gelten. Mit dem neuen Wert für die organischen Solarzellen aus „kleinen Molekülen“ übertrifft Heliatek nun die Performance dieser Drucktechnologie. Im Bereich organischer Leuchtdioden (OLED) hat sich wegen stabilerer Herstellungsverfahren weltweit am Markt bereits die Vakuumabscheidung gegenüber dem Drucken von Polymeren.

Nach dem erfolgreichen Abschluss einer Finanzierungsrunde mit einem Volumen von 18M€ Ende 2009 wird die Heliatek im laufenden Jahr eine Pilotproduktion für die Rolle-zu-Rolle-Fertigung organischer Solarzellen starten. Erste Produkte sollen Ende 2011 am Markt platziert werden.

Das Ziel von Heliatek ist es, in Kooperation mit seinen strategischen Partnern BASF und Bosch die Effizienz der Bauelemente auf >10% zu steigern sowie eine Technologie für die Massenproduktion zu etablieren. Heliateks Aktivitäten sind in verschiedene FuE-Projekte eingebunden, an denen auch das IAPP, die Universität Ulm, die Novaled AG und das Fraunhofer IPMS (Dresden) beteiligt sind. Öffentliche Förderung dieser Projekte erhält Heliatek vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) aus Mitteln des Freistaats Sachsen und der EU. Die Zusammenarbeit zwischen Heliatek und dem IAPP, aus der die zertifizierten Bauelemente hervorgegangen sind, beruht auf der BMBF-geförderten InnoProfile-Gruppe „Organische p-i-n Bauelemente“ und der darin entwickelten Forschungs- und Technologieplattform.