Vielleicht ist Tobias Grab etwas über das Ziel hinausgeschossen. Der Vizepräsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gesteht der organischen Photovoltaik (OPV) das Potenzial zu, die Welt zu verändern. Immerhin hat sie das Potenzial, die Integration von Photovoltaikmodulen in Gebäude voranzubringen. Doch die Freude an einem Produkt hört dann auf, wenn man zu lange darauf warten muss.
Für Belectric ist die Wartezeit zu Ende. Die OPV-Sparte des Systemanbieters aus Nürnberg hat sich an die Markteinführung der organischen Solarzellen gemacht. Schon vor Jahresfrist stellte Belectric OPV erste echte Produkte vor, die mit der neuen Solarte-Folie bestückt sind. Neben der mit OPV-Strom betriebenen Gartenleuchte von Belectric OPV zeigten die Franken auch noch einige andere Designlösungen.
Die Marschrichtung ist klar
Ob die vorgestellte Lampe mit ihrem Design ankommt, mag Geschmackssache sein. Es geht Belectric OPV vor allem ums Prinzip. „Schließlich ist das nur ein praktisches Beispiel, was mit dieser Technologie möglich ist“, erklärt Hermann Issa, Director Business Developement von Belectric OPV. „Es geht aber nicht darum, dass wir Lampen oder Gartenleuchten herstellen. Sondern wir bieten Partnern oder anderen Unternehmen die Möglichkeit an, die OPV tatsächlich mit ihren Stärken einzusetzen.“
Diese Stärken wurden schon oft beschrieben. Von der freien Gestaltung in Form, Farbe und Größe bis hin zur Möglichkeit der Semitransparenz ist fast alles möglich. „Wir bieten den Kunden und unseren Partnerfirmen die Möglichkeit an, projektbezogen Photovoltaik zu integrieren“, sagt Issa. „Architekten oder Designer können jetzt die Photovoltaik in bestehende Produkte einsetzen, ohne sich auf feste Modulgrößen oder Farben festlegen zu müssen.“
Damit ist die Marschrichtung klar. Anders als seinerzeit der amerikanische Anbieter Konarka, von dem Belectric einen Teil der deutschen OPV-Produktion übernommen hat, wollen die Franken nicht mehr flexible Solarmodule anbieten.
Das Ziel ist es, Partner zu finden, die organische Solarzellen in ihre Produkte einarbeiten. Belectric OPV druckt die einzelnen Solarzellen zunächst im gewünschten Design auf eine Trägerfolie. Die Anzahl der Zellen hängt dabei vom Kundenwunsch und der geplanten Anwendung ab. Diese Einzelmodule werden dann untereinander verkabelt. Das fertige Gesamtmodul wird dann zum Beispiel in einer Folie oder zwischen zwei Glasscheiben verkapselt. „Dieser Veredelungsschritt zum eigentlichen Produkt wird beim Partner gemacht“, erklärt Hermann Issa.
Belectric OPV hat auch schon einen solchen Partner gefunden. Zusammen mit Bischoff Glastechnik (BGT) aus dem badischen Bretten hat das Unternehmen ein echtes Produkt entwickelt. BGT übernimmt dabei die Laminierung der Solarfolien von Belectric OPV zwischen zwei Glasscheiben. Der Glasanbieter hat es unter dem Namen BI Powersol auf den Markt gebracht. Ein echtes Referenzprojekt fehlt aber noch. Dieses entsteht gerade in Form des deutschen Pavillons für die diesjährige Weltausstellung in Mailand.
Die Franken werden mit ihren Folien sogenannte Solarbäume auf dem Pavillon bestücken. „Diese Solarbäume verbinden Innen- und Außenraum, Architektur und Ausstellung miteinander und spenden gleichzeitig Schatten während der heißen Expo-Monate“, erklärt Lennart Wiechell die Idee. Er ist leitender Architekt und Managing Partner beim Münchener Architekturbüro Schmidhuber, das den Pavillon entworfen hat. „Wir hatten dabei die Möglichkeit, nicht nur eine existierende Technologie zu verwenden, sondern bis hin zum optischen Erscheinungsbild der Module alles zu gestalten und so in das Gesamtdesign einzugliedern.“
Die Quellen müssen stimmen
Für Belectric OPV ist ein solches Referenzprojekt ein riesiger Fortschritt, um die Möglichkeiten der organischen Solarfolien zu zeigen. Denn wie bei jeder neuen Technologie gilt auch für die OPV: Künftige Kunden brauchen Referenzobjekte, bei denen sie sehen, dass die Technologie auch funktioniert.
Ein solches Projekt hat Heliatek, der zweite große Hersteller von organischen Solarfolien in Deutschland, inzwischen realisiert. An die Fassade seines Hauptsitzes in Dresden hat das Unternehmen die eigenen Solarfolien installiert, die unter dem Namen Heliafilm auf dem Markt sind. Die blaugrüne Folie ist zwischen zwei Glasscheiben laminiert, sodass die Konstruktion wie ein gefärbtes Verbundglas aussieht. „Wir treffen mit diesem Farbton die Gewohnheiten der Glasbranche“, erklärt Martin Pfeiffer, Technologiechef von Heliatek. „Es ist die Farbe, die ohnehin hauptsächlich für getönte Scheiben in Hochhäusern eingesetzt wird.“
Probleme behoben
Bei einem Wirkungsgrad von sechs Prozent erreichen die Dresdner mit ihren Solarfolien eine Transparenz von 50 Prozent. Das bedeutet, dass die Hälfte des einfallenden Lichts durch die Folie hindurchdringt. Nur so bleiben die mit der Solarfolie bestückten Glasscheiben durchsichtig. Sinkt die Transparenz auf 40 Prozent, steigt der Wirkungsgrad um ein Prozent. Da hat der Kunde die Wahl.
Inzwischen läuft auch die Produktionslinie der Dresdner, nachdem sie einige Startschwierigkeiten hatten. Bei der Herstellung der organischen Tandemsolarzellen stellte sich heraus, dass die Quellen für das Aufdampfen der Absorberschichten nicht richtig zusammenspielten.
Die Trägerfolie läuft mit einer konstanten Geschwindigkeit an einer Linienquelle vorbei. Diese soll auf der gesamten Breite die gleiche Schichtdicke abscheiden. „Wir hatten Quellen von zwei unterschiedlichen Anbietern“, erklärt Martin Pfeiffer. „Diese Anforderung für die gleiche Schichtdicke auf gesamter Breite war für die Quellen eines Lieferanten gegeben. Aber für die Quellen des anderen Lieferanten leider überhaupt nicht.“
Dieses Problem hat Heliatek inzwischen behoben, und das Unternehmen fertigt jetzt seine Solarfolien in kleiner Serie. „Das Herzstück der Anlage – die Abscheidung von organischen Schichten – läuft jetzt stabil“, betont Pfeiffer.
Zwölf Prozent herausgekitzelt
Damit geben sich die Dresdner aber noch nicht zufrieden. Bisher produzieren sie die Folien noch mit zwei Absorberschichten. Der erste Absorber nutzt das Spektrum zwischen grünem und rotem Licht zur Stromproduktion. Die zweite Halbleiterschicht absorbiert das Spektrum zwischen rotem und infrarotem Licht. „Dadurch sind noch weitere Effizienzsteigerungen möglich“, erklärt Pfeiffer. „Wir müssen nur die Lücke im blauen Spektralbereich schließen.“ Das gelingt durch eine dritte Absorberschicht. Mit einer solchen Zelle haben die Entwickler von Heliatek zwölf Prozent Wirkungsgrad herausgekitzelt. Das ist der bisherige Effizienzrekord in der OPV. „Wir konnten diesen Wirkungsgrad immer wieder reproduzieren, sodass wir auch in der Lage sind, diese Triplezellen in der Serienfertigung herzustellen“, sagt Pfeiffer. „Mit Blick auf die Haltbarkeit hat die Triplezelle auch Vorteile gegenüber der Tandemzelle.“ Die Dreifachsolarzellen haben die Alterungs- und Stabilitätstests bestanden, die in der Dünnschichtphotovoltaik üblich sind.
Folienbreite als Verkaufsargument
Ob diese Dreifachzellen noch in diesem Jahr in die Produktion gehen, ist sich Martin Pfeiffer nicht sicher. Immerhin müssten die Dresdner die Produktionslinie dann noch einmal umbauen. So könnten sie zwei Monate lang nichts produzieren. Aber spätestens 2016 werden die Solarzellen mit drei Absorberschichten auf den Markt kommen.
Heliatek hat noch einen zweiten Entwicklungsschritt in der Pipeline. Bisher laufen die organischen Solarfolien mit einer Breite von 30 Zentimetern von der Rolle. Die Dresdener wollen die Folienbreite auf 120 Zentimeter erhöhen. „Für viele Kunden ist Breite der Solarfolie ein Argument“, erklärt der Dresdner Technologieleiter. „Speziell wenn es um die Integration in Fenster geht, ist das aus ästhetischen Gründen wichtig.“ Denn an den Rändern der Folie ist ein Busbar, um den Strom abzuleiten. Ist die Folie 1,20 Meter breit, reicht ein Busbar bis an die Ränder der Fenster und ist dann kaum noch sichtbar.
Für Heliatek ist das ein wichtiges Argument, denn das Unternehmen hat im belgischen Glashersteller AGC schon einen festen Produktpartner gefunden. Insgesamt soll die neue Produktionsanlage der Dresdner dann eine Kapazität von 100 Megawatt pro Jahr haben. „Damit sind wir im Preis konkurrenzfähig“, sagt Pfeiffer. „Um eine Preisführerschaft zu erreichen, müssen wir aber auf 300 bis 400 Megawatt Jahresproduktion gehen.“
Preise sind akzeptabel
Dies hängt mit den prinzipiellen Preisvorteilen der Rolle-zu-Rolle-Fertigung zusammen. Die Materialmengen sind extrem gering. Auf einem Quadratmeter Halbleitermaterial scheiden die OPV-Hersteller nur ein Gramm Halbleitermaterial ab. Deshalb kann das eingesetzte Material auch durchaus teurer sein, ohne gleich die Produktionskosten enorm in die Höhe zu treiben.
Wie viel die Folien konkret kosten, kann weder Heliatek noch Belectric OPV genau sagen. „Da wir zurzeit nur Kleinserienfertigung betreiben, können wir noch keine Preisaussagen machen“, sagt Martin Pfeiffer. „Das Nahziel liegt bei einem Euro pro Watt. Mittelfristig sehen wir aber, dass Herstellungspreise unter 30 Cent pro Watt durchaus realistisch sind.“
Damit sind die Solarfolien zwar derzeit noch teurer als die normalen kristallinen Standardmodule. „Aber unsere Kunden signalisieren uns, dass in der gebäudeintegrierten Photovoltaik solche Preise akzeptabel sind“, erklärt Pfeiffer.
Diese Kunden kommen hauptsächlich aus der Baubranche, die schon bei den Herstellern angefragt haben. Beide Unternehmen haben mit AGC Glass Europe und Bischoff Glastechnik schon jeweils feste Partner gewonnen. Es ist vor allem die Semitransparenz bei akzeptablen Wirkungsgraden, an der die Glashersteller interessiert sind. „Die anderen Kunden sind Anbieter von Beton- und Stahlfassaden“, weiß Pfeiffer. „Für diese ist vor allem wichtig, dass unser Heliafilm ein geringes Gewicht hat.“ Heliatek hat eine Folie entworfen, die sich direkt auf Stahl laminieren lässt. „Wir haben außerdem noch eine Folie entwickelt, die man auf Beton befestigen kann“, erklärt der Dresdner.
Die Baubranche tickt anders
Mit diesen Folien arbeitet Heliatek an einem zweiten Referenzobjekt. Die Dresdner liefern sie an den Fassadenbauer Reckli, der den Auftrag übernommen hat, in Schanghai ein Hochhaus aufzustocken. „Da es sich dabei um die obersten Etagen eines ohnehin schon hohen Hauses handelt, muss die Betonverblendung mit integrierter Photovoltaik besonders leicht sein“, erklärt Pfeiffer.
Die Glashersteller greifen dabei genauso wenig uneigennützig auf die organischen Solarfolien zurück wie die Fassadenanbieter. „Alle diese Unternehmen kämpfen darum, Alleinstellungsmerkmale zu erarbeiten, damit sie auch die höheren Margen rechtfertigen können, die sie brauchen“, erklärt Pfeiffer. „Diese Anbieter sehen in der organischen Photovoltaik eine Möglichkeit für ein solches Alleinstellungsmerkmal und damit die Rechtfertigung für höhere Margen.“
Dass dies eine ganz andere Interessenlage ist als beim Verkauf von Standardmodulen, weiß auch Belectric OPV. Außerdem tickt die Bauwirtschaft anders als die Solarbranche. „Da sprechen die Modulhersteller die falsche Sprache und senden die falschen Signale aus“, weiß Issa. „Sie verstehen nicht, was die Triebfedern im Bauwesen sind. Da muss man ganz klar den Investor vom Betreiber trennen.“ Der Investor hat einen vorgegebenen finanziellen Deckel. „Er teilt das Geld, das ihm zur Verfügung steht, in dem Gebäude auf“, erklärt Issa. „Dabei hat er nur gewisse Beträge für gewisse Dinge, die er umsetzen kann. Alles, was diesen Rahmen sprengt, wird einfach nicht gebaut, auch wenn es eine noch so hohe Rendite verspricht.“
Schließlich interessiert den Investor oder den Geldgeber – oft die Bank – der Betrieb einer Photovoltaikanlage hinterher nicht mehr. Denn der Ertrag kommt schließlich nicht ihm, sondern dem Betreiber oder Nutzer des Gebäudes zu.
Dieses Dilemma lösen die Hersteller von organischen Solarzellen, indem sie nicht mehr die Endkunden ansprechen, sondern über die Anbieter der Bauprodukte ins Gebäude kommen. Das eigentliche Modul ist dann nur noch ein Teil dieses Produkts. „Damit erhöht sich zwar der Preis des Bauprodukts um eine gewisse Summe. Aber dadurch dass dieses Produkt sowieso verbaut werden muss, fließt das in die gesamten Rahmenkosten ein, die schon vorhanden sind“, sagt Issa. „Wir bringen nur noch die Zelltechnologie mit hinein. Das lässt sich ganz anders verkaufen.“ Die Photovoltaik ist damit nicht mehr nur noch Teil der Energieproduktion, sondern gestalterisches Element. Die Hersteller von organischen Solarfolien haben eine Nische mit viel Potenzial.
Lapp Kabel
Den richtigen Anschluss gefunden
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung organischer Solarmodule ist der Anschluss. Diese ist der Kabelhersteller Lapp angegangen und hat ein neuartiges Anschlusssystem sowie eine möglichst unauffällige Verkabelung für Belectric OPV entwickelt. Während handelsübliche Photovoltaikkabel rund sechs Millimeter dick sind, haben die neuen strahlenvernetzten Kabel nur 2,4 Millimeter Durchmesser.
Die neuen Anschlüsse und Kabel kommen zum ersten Mal auf der Weltausstellung in Mailand in diesem Jahr zum Einsatz. Für den deutschen Pavillon liefert Belectric OPV kleine, sechseckige Solarmodule, die als Blätter in stilisierte Pflanzen integriert werden. Die Module mit einer Größe von 25 mal 25 sowie 80 mal 80 Zentimetern sollen möglichst unauffällig bleiben. Herkömmliche Anschlussdosen und dicke Kabelanschlüsse sind für dieses Designkonzept vollkommen ungeeignet. Lapp hat deshalb ein neues Verfahren für Anschluss und Verkabelung entwickelt, das sich auch hervorragend für besonders filigrane OPV-Module eignet.
Dabei wird der Anschlusspunkt direkt auf das Modul aufgegossen. Der verwendete heiße und flüssige Kunststoff verbindet sich mit dem Trägermaterial des organischen Photovoltaikmoduls. Dadurch bleiben die Module dicht und es kann keine Feuchtigkeit zum Halbleiter dringen. Gleichzeitig dient der Verguss des Materials für den Anschluss auf beiden Seiten der Folie als Kabelzugentlastung.
Zudem konnte Lapp die Größe der Anschlusskomponenten gegenüber herkömmlichen Systemen stark reduzieren. Der Anschluss bei den Belectric-Modulen für den Expo-Pavillon ist nur knapp 30 mal 20 Millimeter groß. Durch die integrale Fertigung der Anschlüsse als Teil des Moduls wird der Herstellungsprozess vereinfacht. Da keine separaten Anschlussdosen oder -elemente produziert werden, entfallen mehrere Produktionsschritte sowie die Zwischenlagerung der Komponenten.
Fraunhofer ISE
Plastikmodul besteht Stresstest
Die Forscher des Fraunhofer ISE aus Freiburg wollten mit der sogenannten Rolle-zu-Rolle-Produktionstechnik ein neues Fertigungsverfahren zur Marktreife führen. Die Anlage kann mehrere Meter pro Minute beschichten. Ziel ist es, die organische Photovoltaik (OPV) in Form großflächiger Folien günstiger herzustellen. Alle Schichten, mit Ausnahme der Metallelektroden, wurden auf der Anlage der Freiburger gefertigt. Heraus kam ein Solarmodul mit einer Fläche von rund 90 Quadratzentimetern.
Techniker brachten den Silberfinger für den Vorderseitenkontakt durch Siebdruck an. Das Modul ist zudem mit einer Barrierefolie versiegelt und voll flexibel. „Wir haben unsere organischen Solarzellen mehreren Tests unter kontinuierlicher Beleuchtung unterzogen“, erklärt Uli Würfel, Leiter der Abteilung Farbstoff- und Organische Solarzellen am Fraunhofer ISE. Die im Modul eingesetzten Zellen haben zudem die sogenannte Feuchte-Wärme-Prüfung für Dünnschichtphotovoltaik bestanden. Dabei werden Solarzellen und Module 1.000 Stunden lang bei 85 Grad Celsius und 85 Prozent Luftfeuchtigkeit geprüft. Hier haben die organischen Solarzellen weniger als fünf Prozent Leistungsverlust gezeigt.
IMEC
Organische Solarzellen ohne Fullerene
Wissenschaftler des belgischen Forschungszentrums für Nanoelektronik Imec haben ein fullerenfreies organisches Solarmodul hergestellt. Dabei erreichten sie auf einer Fläche von 160 Quadratzentimetern einen Wirkungsgrad von über fünf Prozent. In Laborproben mit kleinen aktiven Flächen konnten Energieausbeuten von bis zu 8,4 Prozent gezeigt werden – die höchsten bisher gemessenen Effizienzen für fullerenfreie organische Solarzellen.
Bisher liegen die Wirkungsgrade von im Labor hergestellten organischen Solarzellen bereits über zehn Prozent. Doch diese Zellen werden in der Regel mit Fullerenen als Akzeptormaterial hergestellt. Das sind kleine kugelförmige Kohlenstoffatome, die Elektronen gut aufnehmen können und diesen Elektronen eine hohe Beweglichkeit ermöglichen. Der Nachteil ist, dass die Fullerene nur eine geringe Überlappung mit dem Sonnenlichtspektrum haben. Zudem geschieht die Elektronenleitung auf niedrigem Niveau, was die Spannung der Solarzellen begrenzt.
Imec nutzt hingegen zwei unterschiedliche organische Materialien für die Akzeptorschicht. Das erhöht die Leerlaufspannung der Zellen im Vergleich zu Solarzellen mit Fullerenen. Außerdem wird dadurch ein größerer Bereich des sichtbaren Sonnenlichtspektrums genutzt. Zwischen den beiden Akzeptorschichten liegt eine organische Donorschicht, die einen anderen Bereich des Lichtspektrums nutzt. Mit dieser sehr einfachen Struktur aus drei Schichten können die Belgier die Effizienz der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erhöhen. Zudem erreichen sie durch organisches Akzeptormaterial, dass die Ladungsträger nicht nur in der Donorschicht freigesetzt und danach über die Akzeptorschichten abtransportiert werden. Vielmehr werden Ladungsträger in der Akzeptorschicht selbst erzeugt. Dadurch erreichen die Belgier eine Quantenausbeute von 75 Prozent bei einem Lichtspektrum zwischen 400 und 750 Nanometern. Die Leerlaufspannung beträgt ein Volt.
www2.imec.be
VDMA
Gebündelte Kräfte
Die Entwickler und Hersteller von organischen Solarzellen und Photovoltaikfolien haben die Arbeitsgruppe Organic Electronics Energy (OEE) beim Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) gegründet. Ihre Aufgabe wird die mediale Unterstützung der Markteinführung der organischen Photovoltaik und die internationale Zusammenarbeit der Mitglieder sein. Zudem wird sie in Zukunft nicht nur der Ansprechpartner für die Verbreitung von Informationen über die organische Photovoltaik in der Öffentlichkeit sein, sondern auch die Politik über die Vorteile der Energiegewinnung mit organischen Solarfolien auf dem Laufenden halten. Noch wichtiger ist die Arbeitsgruppe allerdings für die interne Kommunikation. Denn sie soll den Informationsaustausch innerhalb der Branche fördern, die Interessen der beteiligten Unternehmen und Institute bündeln und an der Entwicklung von Standards für diese neue Technologie mitarbeiten.
Mit der neuen Arbeitsgruppe bündelt die Branche ihre Kräfte. Die Bedeutung der OEE wird beim Blick auf die Liste der Gründer deutlich. Mit dem Dresdner Branchenriesen Heliatek, Belectric OPV aus Nürnberg und dem britischen Hersteller Eight19 aus Cambridge stehen immerhin die größten Unternehmen darauf. Außerdem sind die französische Amor Group mit Hauptsitz in Nantes, der dänische Hersteller Mekoprint aus Støvring und Disa Solar aus dem zentralfranzösischen Limoges unter den Gründern. Mit dem Technischen Forschungszentrum Finnlands (VTT), dem niederländischen Hightech-Forschungszentrum Holst Centre in Eindhoven, dem eidgenössischen Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) in Neuchâtel und dem französischen Commissariat à l‘énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) sind auch die Forschungsinstitute reichlich vertreten.
Der Dresdner Hersteller Heliatek hat sich sein Referenzobjekt an die eigene Fassade gebaut. Die semi-transparenten Solarfolien sind zwischen zwei Glasscheiben laminiert.
Lapp Kabel hat winzig kleine Anschlüsse und Kabel für die organischen Solarfolien entwickelt. Die Anschlusspunkte werden schon während des Laminierens angebracht. Dadurch bleibt das Modul dicht.
Mit der blaugrünen Farbe spricht Heliatek die Anbieter von Glasfassaden an. Die Farbe trifft den Mainstream. Denn sie wird ohnehin schon meist für getönte Fenster verwendet.
Die sechseckigen Solarfolien von Belectric OPV werden auf der Weltausstellung zwischen Mai und Oktober dieses Jahres zu sehen sein. Sie sind die Blätter der stilisierten Pflanzen, die aus der Oberfläche des deutschen Pavillons in Mailand wachsen.
Das Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren verspricht hohen Durchsatz bei geringem Energieaufwand. Dadurch können die organischen Solarfolien schnell und billig hergestellt werden.
Die organischen Solarfolien haben gegenüber den kristallinen und Dünnschichtmodulen mehrere Vorteile. Sie sind flexibel und können auch transparent hergestellt werden.
Das Modul ist sechs Meter lang und 50 Zentimeter breit und kommt ohne teures Indium-Zinnoxid aus.
