Neue Freiheit im Design

Im Gegensatz zu den riesigen Hallen, in denen herkömmliche, kristalline Solarmodule in vielen aufwendigen Einzelschritten hergestellt werden müssen, wirkt die Produktionsanlage von Belectric OPV in Kitzingen überraschend minimalistisch. Nur einige Hundert Quadratmeter Fläche benötigt die gesamte Fertigungslinie inklusive der Räume für die Vorbereitung der Formulierungen.

So nennen die Fachleute die speziellen Farben, die sie hier im Rollendruckverfahren in verschiedenen Schichten auf die Folien aufbringen. Nach jeder Druckstufe wird die jeweilige Schicht zunächst getrocknet, damit sie sich nicht mit dem Material der nächsten Schicht mischt. Der Vorteil: Der gesamte Produktionsprozess kann bei im Vergleich zu anderen Technologien niedrigen Temperaturen von maximal 120 bis 130 Grad Celsius, vor allem aber ganz normal an Luft stattfinden.

Bis zu 20 Megawatt pro Jahr

Die Herstellung braucht dadurch weder energieintensive Schmelzöfen und teure Vakuumstufen noch muss sie Schritt für Schritt in komplexen und langen Prozessketten erfolgen. Das macht die gesamte Produktion sehr kostengünstig. Die organische Photovoltaik hat somit das Zeug, die kristalline Konkurrenz im Preis um Längen zu schlagen.

Die Druckmaschine selbst basiert auf einer Technologie, die auch im klassischen Druck verwendet wird. Allerdings haben die Spezialisten von Belectric OPV die Druckköpfe so modifiziert, dass sie auch das organische Halbleitermaterial auf die Folie drucken können. Das Verfahren ist extrem gut skalierbar und basiert auf klassischen Industrieprozessen. „Bei einer Auslastung von 24 Stunden am Tag und sieben Tagen in der Woche können wir organische Solarfolien mit einer Gesamtleistung von zehn bis 20 Megawatt im Jahr drucken“, beschreibt Ralph Pätzold, Geschäftsführer von Belectric OPV, die Kapazität der Maschine.

Durch diese Technologie lässt sich zudem die Produktionsmenge mit vergleichsweise geringen Investitionen relativ schnell erweitern. In der Anpassung der Drucktechnologie auf die organischen Halbleiter steckt viel Entwicklungsarbeit. Eine der größten Herausforderungen, die ein OPV-Hersteller lösen muss, ist es, die speziellen organischen Formulierungen gleichmäßig auf die Folie zu drucken. Die Adaption auf eine zweite oder dritte Druckmaschine oder ein anderes Format ist dagegen nur noch ein kleiner Schritt.

Allerdings bestimmt im Allgemeinen nicht die Rolle-zu-Rolle-Beschichtung der Solarfolien mit dem Halbleitermaterial den eigentlichen Ausstoß der Produktion, sondern die Anpassung der gedruckten Folie an die speziellen Vorgaben der Kunden. Denn dass man bereits früh im Herstellungsprozess explizit auf die Wünsche der Kunden eingehen kann, eröffnet im Gegensatz zur klassischen Photovoltaik eine Vielzahl von zusätzlichen Designmöglichkeiten.

Ausgeklügelte Prozesse

Damit die Designfreiheit wiederum nicht zulasten des Produktionsvolumens der Druckmaschine geht, nutzt Belectric OPV einen ausgeklügelten Prozess aus Laserstrukturierungs- und Beschichtungsverfahren. „Das heißt, wir können trotzdem in Volumen herstellen, auch wenn hinterher nicht alles gleich aussieht“, beschreibt Pätzold das Prinzip. „So können wir uns die Skalierungsfähigkeit und die Volumenfähigkeit des Beschichtungsprozesses erhalten und trotzdem kundenspezifisch liefern.“

Das schlägt sich wiederum im Preis nieder. In der anorganischen, klassischen Photovoltaik bedeutet kundenspezifisches Design in der Regel nur begrenzte Optionen zu einem hohen Preis pro Quadratmeter. Dieser sinkt nur mit höherer Stückzahl der bestellten Module. Nicht so in Kitzingen bei Belectric OPV. „Wir sehen individuelle, kundenspezifische Designs als wichtigen Schritt, um Kunden für uns zu gewinnen, und haben unsere Prozesse dementsprechend abgestimmt“, erklärt Ralph Pätzold.

Schnell, einfach, kostengünstig

Will der Kunde dreieckige oder kreisförmige Elemente oder bestimmte Farben, dann ist das für Belectric OPV kein Problem. Der gesamte Produktionsprozess ist so gestaltet, dass das geforderte Design relativ schnell, einfach und kostengünstig umgesetzt werden kann. „Wir reden nicht von Designs, bei denen der Maskensatz eine halbe Million Euro kostet, sondern es ist in einem Rahmen, wo der Kunde bei einer Projektgröße von ein paar Hundert Quadratmetern preislich schon nicht mehr merkt, ob es sich um ein eigenes Design handelt oder nicht“, bringt Pätzold den entscheidenden Vorteil auf den Punkt. „Unser Prozess ist so flexibel gestaltet, dass der Kunde seine Vorlage liefern kann. Dann fangen unsere Mitarbeiter an, diese Vorlage umzusetzen – egal welche Größe, egal welche Form, egal welche Farbe, ob transparent oder opak.“

Die verschiedenen Farben werden durch unterschiedliche Halbleiterpolymere erreicht, die auf das Trägersubstrat gedruckt werden (siehe Interview mit David Müller ab Seite 34). „Bei semitransparenten Elementen ist die Beschichtung dünn genug, dass noch Licht durchgelassen wird“, sagt Ralph Pätzold. „Hier wird die Gegenelektrode so aufgedruckt, dass wir genügend Bedeckung haben, um die Ladungsträger einzusammeln, andererseits aber weiterhin die Lichtdurchlässigkeit gewährleistet ist.“

Mehr Freiheit als nur Form und Farbe

Auf diese Weise wird selbst die Metallisierung der einzelnen OPV-Elemente zum Teil des Designs, das der Kunde vorgibt. „So haben wir einen Teil der Oberfläche der Module, die wir für den Pavillon auf der Expo in Mailand hergestellt haben, sogar inaktiv gelassen, weil der Architekt das so wollte“, erklärt Pätzold.

Er zeigt dabei auf die Streifen eines Moduls, wie es im deutschen Pavillon auf der Expo 2015 installiert war. Dort ist zu erkennen, dass diese Streifen keine elektrische Verbindung zu den benachbarten dreieckigen Teilen des Moduls haben. „Nicht alles, was man hier im Druck sehen kann, ist der reinen Funktionalität geschuldet, sondern es sollten auch Elemente eingefügt werden, um dem Modul einen rotationssymmetrischen Anstrich zu geben und die Linienstruktur aufzubrechen“, beschreibt Pätzold das Design.

Die Freiheiten, die der Kunde mit der organischen Photovoltaik hat, gehen weit über Farbe und Form hinaus. Die Designwünsche werden bis hin zur Richtung und Anzahl der Kontaktfinger erfüllt, die den Strom aus dem Modul leiten. Damit werden die Kontakte, die eigentlich bei der herkömmlichen Photovoltaik in der Fassade optisch störend wirken, zum gestalterischen Element. Hier zeigt sich, dass mit der OPV „das Design die Technologie bestimmt und nicht die Technologie das Design“, zitiert Ralph Pätzold den Designer des deutschen Expo-Pavillons.

Durch diese Flexibilität sprechen die Produkte der Belectric OPV daher auch einen ganz bestimmten Kundenkreis an. „In der Regel fragen die Fassadenbauer oder die Architekten bei uns an“, beschreibt Pätzold die Zielgruppe. „Oft sind es auch die Planungsbüros, die die Vorgaben für den Anteil der Energieautarkie eines Gebäudes umsetzen müssen. Letztlich ist für uns aber immer der Architekt der entscheidende Ansprechpartner.“

Architekt bleibt Ansprechpartner

Nicht nur deshalb ist auch der Vertriebsleiter von Belectric OPV selbst Architekt. Er spricht die gleiche Sprache wie seine Kunden und kann so deren Anforderungen auch gezielt umsetzen. „Im zweiten und dritten Schritt setzen wir uns dann mit unseren Partnern und den Kunden zusammen und entwickeln eine konkrete Lösung für das spezielle Projekt“, beschreibt Pätzold den Planungsablauf. „Dann koordinieren wir mit unserem Partnernetzwerk die Umsetzung der gefundenen Lösung.“

Denn Belectric OPV liefert keine Module im herkömmlichen Sinne, sondern nur das Halbzeug, also die energetisch aktiven Komponenten, mit denen das Bauelement entsprechend veredelt wird. Die photovoltaischen Zellen können dann auf verschiedenste Materialien aufgebracht, zwischen Glas eingesetzt oder direkt in ein Produkt integriert werden. „Deshalb haben wir uns ein Netzwerk an Partnern geschaffen, die diese Bauteile anbieten, die dann durch die Integration unserer Solarfolien mit einem zusätzlichen Mehrwert versehen werden“, erklärt Pätzold.

Vertriebsweg über die Bauwirtschaft

Die Partner kommen aus den unterschiedlichsten Sparten. So sitzt, wenn es um eine Glasfassade geht, BGT – Bischoff Glas Technik mit am Tisch. Zur Integration der Solarfolien in Membran-Konstruktionen kooperiert Belectric OPV mit Taiyo Europe. Das Unternehmen ist einer der größten Hersteller von ETFE- und PTFE-Membranen weltweit und baut schon seit Jahrzehnten komplexe Dachkonstruktionen mit solchen Folien, die in Zukunft mit der OPV auch immer öfter ein energetisch aktiver Teil der Gebäudehülle werden.

Im Bereich der Putzfassaden arbeitet Belectric mit den Deutschen Amphibolin-Werken (DAW) zusammen, zu denen unter anderem Lithodecor, ein Spezialbetrieb für vorgehängte, hinterlüftete Fassadensysteme aus Glas und Naturstein, gehört. „Wir haben diesen Weg der Kooperation mit verschiedenen Partnern gewählt, um unsere Solarfolien über die bekannten Vertriebswege der Bauwirtschaft zu den Kunden zu bringen, statt einfach nur ein zertifiziertes Photovoltaikmodul zu verkaufen“, beschreibt Pätzold den speziellen Ansatz des OPV-Anbieters, der sich grundlegend von dem der übrigen Photovoltaikbranche unterscheidet. „Auf diese Weise können wir dem Fassadenbauer und damit dem Bauherrn ein Produkt anbieten, das die Einhaltung aller bekannten Baunormen und Baurichtlinien mitbringt.“

Der Kunde gibt Belectric OPV oder einem der Partner der Kitzinger eine konkrete Designvorstellung mit. Belectric OPV entwickelt aus diesen Vorgaben einen entsprechenden Belegungsplan. Das heißt, zunächst werden die einzelnen OPV-Elemente in der Form, Größe und Farbe nach den Wünschen des Kunden gedruckt und metallisiert.

Im zweiten Schritt wird ein Satz dieser Elemente dann zum Beispiel auf eine Glasscheibe in der vorgegebenen Größe gelegt und verlötet. Darauf wird eine zweite Glasscheibe gelegt. Der „Prototyp“ ist jetzt fertig. Auf der Basis dieses Prototyps wird dann für den Glashersteller ein genauer Plan erstellt, wie die einzelnen Elemente in der Fertigung zu verlöten sind.

Markteinführung ist geschafft

Die Produktionsprozesse sind eingespielt, und auch immer mehr Kunden wollen ihre Bauelemente und Fassaden mit organischer Photovoltaik zu aktiven Gebäudeteilen machen. Die Markteinführung ist geschafft, mehrere große kommerzielle Projekte wurden bereits umgesetzt. Das bisher größte ist in der äthiopischen Hauptstadt Addis Abeba entstanden.

Unter der Leitung der GIZ (Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit) hat Belectric OPV zusammen mit der Carl Stahl GmbH im Herbst des vergangenen Jahres die größte gebäudeintegrierte OPV-Anlage der Welt fertiggestellt. Als Mittelpunkt des neuen Peace and Security Building der Afrikanischen Union (OAU) bildet ein komplexes System aus 445 semitransparenten Einzelmodulen ein solaraktives Sonnensegel in Form des afrikanischen Kontinents in einer Gesamtgröße von rund 25 mal 20 Metern.

Die Solaranlage ist hier ein multifunktionaler Teil der Architektur geworden. Sie schützt das Atrium, über dem sie hängt, vor der sengenden afrikanischen Sonne und produziert gleichzeitig ausreichend Strom, um die LED-Beleuchtung des Innenraums zu versorgen.

Neues Projekt in Südfrankreich

Das jüngste Vorzeigeprojekt von Belectric OPV entsteht derzeit in Südfrankreich. Zusammen mit lokalen Partnern stattet das Unternehmen Verschattungs- und Regen- sowie Hagelschutzelemente an kommunalen Neubauten und Bestandsgebäuden mit den Solarfolien aus.

Das Projekt verdeutlicht, dass sich Ästhetik, Design und Stromproduktion aus Sonnenlicht nicht gegenseitig ausschließen. Zudem soll mit den Installationen die Anpassungs- und Widerstandsfähigkeit der Folien demonstriert werden. So wurde den organischen Solarfolien lange Zeit die Langlebigkeit abgesprochen.

Inzwischen haben die Hersteller von OPV-Folien aber längst den Gegenbeweis erbracht. „Wir haben seit 2011 eine Installation bei Mainova in Frankfurt am Netz, die ständig überwacht wird, und bisher immer die Rückmeldung erhalten, dass keinerlei Degradation bei den Folien registriert werden konnte“, erklärt Ralph Pätzold.

Den Härtetest, den auch die kristallinen und Dünnschichtmodule der zweiten Generation bestehen müssen, haben die Produkte der Belectric OPV mit Bravur gemeistert. „Wir haben seit acht Jahren eigene Messdaten aus dem Feld“, betont Pätzold mit Blick auf die Außenmessstände. „Das ist eine Datenlage, die über die Zeit, in der wir OPV-Folien im Markt haben, schon eine ziemlich gute Aussage über die Stabilität erlaubt.“

Um die bereits erreichten Stabilitätswerte noch weiter zu verbessern, steckt Belectric OPV viel Entwicklungsarbeit in die Barrierefolien, in die das Halbleitermaterial eingebettet ist und die es vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt. „Denn die am Markt erhältlichen Halbleitermaterialien müssen gut verkapselt sein“, betont Pätzold. „An dieser Stelle kann man als Hersteller sehr viel falsch machen, was die Lebensdauer der Folien deutlich verringert.“

Halbleiter brauchen Schutz

Schutz brauchen die organischen Halbleiter, wenn das Polymermolekül Licht aufnimmt. Dann werden diese Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt und kehren erst in den Grundzustand zurück, wenn die zusätzliche Energie natürlich idealerweise als Strom abgeleitet wird. „In diesem angeregten Zustand ist das Molekül anfällig für gewisse chemische Reaktionen“, beschreibt David Müller, Marketingleiter der Photovoltaiksparte des Darmstädter Chemiekonzerns Merck, die Schwachstelle.

Merck ist einer der großen Zulieferer von organischem Halbleitermaterial an Belectric OPV. „Denn dann steckt mehr Energie in dem Molekül“, beschreibt David Müller den Ansatz. „Die Klassiker, die wir als Reaktionspartner haben, sind Wasser und Sauerstoff. Gegen diese beiden Stoffe kann man durchaus chemisch etwas tun. Entweder designt man das Polymer so, dass von vornherein bestimmte Reaktionswege verhindert oder blockiert werden und das Molekül so gar nicht mehr reagieren kann. Oder man delokalisiert diesen Zustand sehr stark, wie dies bei Fullerenen der Fall ist.“ Diese Fullerene bestehen aus 60 Kohlenstoffatomen, die als hohle Kugel aus zwölf Fünfecken und 20 Sechsecken angeordnet sind. Das sieht aus wie ein Fußball. Wenn das Elektron aus dem Halbleiter auf das Fulleren übergangen ist, verschmiert es sehr schnell über den ganzen Fußball – es verdünnt sich sozusagen über das ganze Molekül. So bietet es vereinfacht gesagt gar keinen lokalen Angriffspunkt für eventuelle Reaktionspartner. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Reaktion, weil das Elektron chemisch quasi gar nicht fassbar ist.

Stabilität ist kein Problem mehr

Neben guten Barrierefolien helfen solche Tricks, die Stabilität des Polymers und damit auch des OPV-Elements zu verlängern. Inzwischen sind die Barrierefolien auch so weit ausgereift, dass sie durchaus die Polymere über Jahre hinweg schützen können.

Schon die vielen Anwendungen von organischen LED (OLED) zeigen, dass Stabilität kein Problem mehr ist, wenn es um organische Halbleiter geht. „Diese sind ganz anderen Anforderungsprofilen ausgesetzt als die OPV“, weiß David Müller. „Denn insbesondere blaues Licht zu emittieren ist in der organischen Chemie wesentlich belastender für die Moleküle, als das Sonnenlicht zu absorbieren. Ein Molekül, das blau leuchten muss, wird in energetisch deutlich extremere Zustände gefahren als ein OPV-Molekül.“

An konkrete Bedürfnisse anpassen

So sind die Anforderungen an die Verkapselungsfolien in der OPV wesentlich geringer als für die OLED. Da schon längst sehr stabile OLED auf dem Markt sind, die sehr lange halten, ist es auch für die OPV kaum ein Problem, Verkapselungen zu finden, die ausreichenden Schutz des Halbleitermaterials gewährleisten. Letztendlich stellt sich nur die Kostenfrage. Die in Kitzingen verwendeten Barrierefolien haben sich inzwischen vielfach bewährt.

In Zukunft werden die Folien auch in Südfrankreich zum Einsatz kommen. Die ersten Anlagen werden noch in diesem Jahr installiert. Die Palette reicht von Verschattungen über Kirchhöfen bis hin zu Fassaden an öffentlichen Einkaufszentren, die in den Gemeinden errichtet werden. Im Zentrum steht dabei, die Anlagen an die lokale Ästhetik und die konkreten Bedürfnisse anzupassen. Dies wird durch die extrem leichten und in Bezug auf Design, Transparenz, Form und Farbe flexiblen OPV-Membranen erreicht.

www.solarte.de

Nur die Erträge zählen!

Immer wieder hört man, der Wirkungsgrad der organischen Photovoltaik sei noch zu niedrig und könne mit anderen Technologien nicht mithalten. Doch am Ende zählt nicht der Wirkungsgrad, sondern die Energieausbeute. Da haben die organischen Solarfolien aufgrund des besseren Schwachlichtverhaltens und des geringeren Temperaturkoeffizienten einen riesigen Vorteil gegenüber den bisherigen Technologien – vor allem in der Fassade.

Sven Ullrich, Redakteur für BIPV