Geschichte der organischen Photovoltaik: Ideen aus der Farben-Forschung

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Vor kurzem haben sich meine Kids ihren Strom zum ersten Mal selbst erstrampelt. In einer Energieausstellung im Deutschen Museum in München durften sie mal richtig in die Pedale treten und über Generatoren Radio, Lampe und Fernseher anwerfen. Beim Tauchsieder ging meinem Filius dann die Puste aus. Als der Nachwuchs sich ausgepowert zum ganzen Stolz des Vaters schleppte – der Sektion Solarenergie, sank das Interesse erst mal auf den Nullpunkt. Was ist schon dran an den paar blauen Scheiben?

Mehr als eine Laborkuriosität

Soviel Phantasie die Photovoltaik dem Betrachter abverlangt, soviel hat sie den Märkten in den letzten Jahren verliehen. Nur wenige Forschungsgebiete wecken vergleichbare Zukunftsvisionen. Organische Halbleiter galten noch vor zwei Jahrzehnten eher als Laborkuriositäten, obwohl ihr Einsatz in Fotokopierern und später in Laserdruckern die Vervielfältigung von Dokumenten revolutionierte. Bereits 1958 hatte Melvin Calvin den photovoltaischen Effekt auch in organischen Materialien beschrieben. Für seine Aufklärung der Chemie der Photosynthese erhielt der Berkeley Professor 1961 den Nobelpreis.

In den 70er und 80er Jahren veröffentlichten Forscher bei Exxon und Kodak Arbeiten über organische Solarzellen. Ein Durchbruch gelang dem Vater der organischen Leuchtdiode, Ching W. Tang , seinerzeit bei Kodak. Tang, heute Professor an der Universität Rochester, erzeugte durch Vakuumprozesse nanometerdünne Schichten organische Halbleiter. Durch Schichtabfolge eines p- und eines n-Halbleiters (Donor und Akzeptor) stellte er so die erste organische hetero-Übergangszelle mit einer Effizienz von 1% her. Labor-Zellen aus kristallinem Silizium hatten damals nach 30 Jahren Entwicklung bereits eine Rekordeffizienz von 20%.

1991 nutzten Michael Graetzel und Brian O’Reagan poröse Filme aus Titandioxid-Nanopartikeln, um farbstoffsensibilisierte Solarzellen mit hoher Stromausbeute herzustellen. Damit wurden innerhalb weniger Jahre Rekord-Wirkungsgrade von über 10% erzielt. Der Charme dieser Zellen liegt vor allem in den grundsätzlich einfachen Herstellverfahren, die als Schülerversuch in jeder Küche durchgeführt werden können. ("A delicious new solar cell" auf youtube).

Ebenfalls durch einfache Beschichtungsverfahren können Solarzellen aus löslichen organischen Halbleitern hergestellt werden. Ein wichtige Rolle spielte hier die Entwicklung von löslichen Fulleren-Derivaten in den 1990er Jahren, die als Akzeptoren (n-Halbleiter) gemeinsam mit löslichen p-Halbleitern (Donoren) Mischschichten bilden, in denen Licht effizient in elektrische Ladungen umgewandelt wird.

Der Weg in die Industrieforschung

Fast 20 Jahre nach Ching W. Tangs Durchbruch haben wir bei BASF damit begonnen, organische Solarzellen zu erforschen. Unser Ansatzpunkt waren 145 Jahre Know-How in der Farben-Forschung: Farbstoffe oder genauer lichtabsorbierende Materialien sind schließlich das Herzstück der organischen Photovoltaik. Mit neuen organischen Halbleiter-Materialien wollen wir es schaffen, langlebige und effiziente organische Solarmodule preiswerter herzustellen.

Warum haben wir unser Traditionswissen nicht schon früher genutzt? Erst in den vergangenen Jahrzehnten wurden auch mit der Entwicklung anderer organischer Halbleiterbauteile wie OLEDs (organische Leuchtdioden) und OFETs (organic field-effect transistor) zwei entscheidende Voraussetzungen geschaffen: Heute verstehen wir die physikalischen Funktionen organischer Halbleiter in Solarzellen und anderen Bauteilen. Zum anderen wurde eine Verfahrenstechnik entwickelt, um nanostrukturierte Schichten zu erzeugen. Diese hat den Bau der Zellen erst ermöglicht.

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Dr. Peter Erk studierte Chemie an der Universität Würzburg und promovierte zu metallisch leitfähigen organischen Radikalanionensalzen. Nach einem Forschungsjahr an der Stanford University bei Prof. James P. Collman arbeitete er mehrere Jahre im Bereich Pigmentforschung der BASF mit dem Schwerpunkt auf Polymorphie und Grenzflächeneigenschaften von Lackpigmenten. Seit 2001 gestaltet er die Projekte der BASF zu OLEDs und zu Organischen Solarzellen mit und leitet zurzeit die Gruppe Bauteil-Entwicklung für beide Technologien im Joint Innovation Lab Organic Electronics der BASF. Als technischer Projektleiter und Research Director ist er global für die Forschung an organischen Solarzellen zuständig.

3 Kommentare

  1. Blaue Scheiben…

    Ehrlich gesagt, wenn ich die Wahl habe zwischen strampeln und ein paar blauen Scheiben auf dem Dach, dann weiß ich schon sehr genau was ich mir aussuche.

    Mich würde interessieren, ob die Kohärenzeffekte, die kürzlich in Lichtsammelkomplexen von Algen entdeckt wurden (Nature 463, S. 614), für diese Forschung relevant ist

  2. pv nach dem 1 Juli

    Hi,

    auch nach dem 1. Juli lohnt sich die Anschaffung einer PV Anlage.

    Viele Grüße

    Frank

  3. Hallo,

    der Artikel ist gut! Auch wenn der Artikel schon uralt ist…

    Im Netz fand ich diesen Artikel, der auch gut.

    Viele Grüße

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