DPMA - Erfinderaktivitäten 2006/2007

Plastik-Solarzellen
Dipl.-Phys. Mark Haslinger, Abt. 1.33
Einige der Polymere, die wir aus unserem täglichen Leben als „Plastik“ kennen, eignen sich unter
bestimmten Bedingungen für den Einsatz als fotoaktive Materialien in Solarzellen.
Der Artikel gibt einen Einblick in dieses noch sehr junge Technikgebiet und beschäftigt sich mit den
Zukunftsperspektiven dieser Bauelemente.
1. Kristalline Solarzellen
1.1. Historische Entwicklung
Seit der Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949,
dem Bau der ersten kristallinen Solarzelle 1954 in den
Laboratorien der Firma Bell und der ersten Verwendung
zur Stromversorgung eines Satelliten 1958 hat die
Solarzelle eine rasante Entwicklung hinter sich.
Solarzellen aus monokristallinem Silizium,
Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem Silizium,
sowie, in geringerem Maße, auch aus anderen Elementen
bestehende kristalline Solarzellen (II-VI und III-V-
Solarzellen) sind heute aus der weltweiten
Elektrizitätsversorgung nicht mehr wegzudenken. Sie
spielen, verschaltet in Solarmodulen, eine tragende Rolle
im regenerativen Energiemix und werden innerhalb von
Großkraftwerken, als auch zur dezentralen
Energieversorgung an Dächern und Fassaden von
Gebäuden eingesetzt [1].
1.2. Produktion kristalliner Solarzellen
Die Herstellung relativ reiner Halbleiterkristalle als
Grundmaterial kristalliner Solarzellen ist energieaufwändig
und damit teuer. Während man sich in der Anfangsphase
der Fotovoltaik noch des Produktionsausschusses der
Computerchipindustrie an kristallinem Silizium bedienen
konnte, ist durch den Erfolg und die damit drastisch
gestiegene Stückzahl der Solarzellen diese Ressource
nicht mehr ausreichend.
Nach Alternativen zu den Halbleiterkristallen als
Grundmaterial für Solarzellen wird gesucht!
2. Alternative Solarzellen
2.1. Farbstoff-Solarzelle („Grätzel-Zelle“)
Der Bau einer ersten vielversprechenden Solarzelle, die
ohne einen Halbleiterkristall auskommt, gelang einem
Forscherteam aus der Schweiz und wurde dort 1990
patentiert [2]. Die Lichtabsorption und dessen
Umwandlung in elektrischen Strom wird dabei mit Hilfe
einer rauen Metalloxid-Halbleiterschicht realisiert, auf die
eine sehr dünne Lage eines lichtsensiblen Farbstoffs
(Chromophor-Moleküle) aufgebracht wurde.
Figur 1: aus [2], mit rauer Metalloxid-Halbleiterschicht 212 und
einer dünnen Lage Chromophor-Molekülen 213.
Im Labor erreicht eine solche Farbstoffzelle einen
Wirkungsgrad von 11%. Bis heute ist sie jedoch nicht
kommerziell erhältlich, da noch keine hinreichende
Langzeitstabilität erreicht werden konnte.
2.2. Organische Materialien
Neben der Farbstoff-Solarzelle werden seit einigen Jahren
auch organische Materialien als Kandidaten für aktive
Materialien in Solarzellen gehandelt. Ein Spezialfall dieser
organischen Materialien sind Polymere, die gleichzeitig
auch am häufigsten unter den organischen Materialien
verwendet werden. Zu diesem Thema sind jüngst auch
diverse Artikel in der Presse ([3], [4]) erschienen. Vorteil
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