Ob auf Glasflächen von Gebäuden, Gewächshäusern oder Fahrzeugen – mit semitransparenter Photovoltaik könnten für eine klimafreundliche Energieversorgung nutzbare Flächen deutlich vergrößert werden. Im Forschungsprojekt Semtrasol (steht für: druckbare semitransparente organische Solarzellen für Photovoltaikflächen der Zukunft) entwickeln Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) dafür Solarzellen mit präzise einstellbaren Absorptionseigenschaften und hohem Wirkungsgrad.
Leicht, ungiftig und unabhängig von seltenen Rohstoffen
Organische Solarzellen sind nicht nur leicht, ungiftig, unabhängig von seltenen Rohstoffen und können preisgünstig sowie großflächig gedruckt werden. Im Vergleich zu anderen Photovoltaik-Technologien haben sie eine weitere herausragende Eigenschaft: Sie können semitransparent hergestellt werden, was viele neue Anwendungen ermöglicht.
Während Silizium-Photovoltaik heute allgegenwärtig zur Energiegewinnung eingesetzt wird, wurde der Nutzen von organischen Solarzellen bisher weit unterschätzt. „So ist auch der große Durchbruch auf dem Markt bislang ausgeblieben“, sagt Dr. Christian Sprau vom Lichttechnischen Institut des KIT.
Mit seiner gerade gestarteten Forschungsgruppe und dem Forschungsprojekt Semtrasol will er das ändern: „Mit neuen Materialkonzepten und neuesten organischen Halbleitern gelingt es heute immer besser, die Absorptionseigenschaften organischer Solarzellen präzise zu steuern und einen hohen anwendungsspezifischen Wirkungsgrad zu erzielen.“ Dadurch werde etwa hocheffiziente Photovoltaik auf Glasfronten denkbar, die nicht weiter ins Auge fällt.
Einsatz auf Fensterfronten oder in der Landwirtschaft
Organische Solarzellen nutzen kohlenstoffbasierte Halbleiter, die typischerweise durch schmalbandige Absorptionsbereiche gekennzeichnet sind. Dank der Entwicklung neuartiger Akzeptoren, also die Elektronen aufnehmenden Moleküle in der lichtabsorbierenden Schicht in einer Solarzelle, können sie im Labor heute Wirkungsgrade von bis zu 20 % erreichen.
Durch die Vielzahl dieser neuen Materialien und in Kombination mit gezieltem Bauelementdesign ist es möglich, mit einer semitransparenten Solarzelle einstrahlendes Licht in genau definierten spektralen Bereichen zu absorbieren. So ließen sich künftig Flächen mehrfach nutzen, erläutert Sprau: „In der Agrivoltaik beispielsweise müssen lediglich die zum Wachstum notwendigen Wellenlängen die Pflanzen erreichen, wohingegen sie vor anderen spektralen Anteilen des Lichts geschützt und so vor dem Austrocknen bewahrt werden können.“
Die Fensterfront eines Hochhauses wiederum müsse nur das Licht passieren lassen, welches das menschliche Auge als Helligkeit wahrnimmt. In beiden Fällen ließen sich gleichzeitig mit den ungenutzten Anteilen des Sonnenlichts hohe Energieernten erzielen.
Booster für eine beschleunigte Energiewende
Nach Einschätzung des Forschungsteams am KIT wird eine doppelte Flächennutzung durch Photovoltaik eine wichtige Rolle spielen, damit Deutschland und Europa die Klimaneutralität rechtzeitig erreichen können. Die technologischen Voraussetzungen seien erfüllt, mit Semtrasol wolle man sie nun miteinander kombinieren.
„Konkrete Ziele sind das Maßschneidern der Transparenz, eine druck- und skalierbare Bauelementarchitektur, die Verwendung neuester Materialien und eine umweltfreundliche Herstellung“, erläutert Sprau. „Trivial ist das nicht, aber ich bin davon überzeugt, dass semitransparente Solarzellen in nicht allzu ferner Zukunft ganz selbstverständlich zu unserem Alltag gehören werden.“ (jk)
