Sonnenstrom aus hauchdünnen Folien

Fensterscheiben, Lagerhallen und Gewächshausfolien, die mit Sonnenlicht Strom produzieren? Die Organische Photovoltaik (OPV) soll das möglich machen. Seit Jahren wird die Liste von Standorten für Solarmodule länger und länger – insbesondere, weil sie immer dünner und leichter werden. Doch mit OPV können es herkömmliche PV-Zellen aus Silizium-Wafern in dieser Hinsicht nicht aufnehmen. „Es genügen wenige Nanometer dünne Schichten, um Solarstrom zu produzieren“, sagt Birger Zimmermann, Teamleiter Produktionstechnologie für Organische Solarzellen (Production Technology for Organic Solar Cells) am Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme. „OPV-Module bestehen am Ende zu 99 Prozent aus dem Trägermaterial.“

„Organisch“ bedeutet hier, wie in den Naturwissenschaften üblich, „kohlenstoffbasiert“. Die Zellen bestehen also nicht wie bisher üblich aus (anorganischen) Siliziumkristallen, sondern aus Kunststofffolien. Diese besitzen dank ihrer besonderen Molekülstruktur die halbleitenden Eigenschaften, die nötig sind, um aus Licht Strom zu erzeugen.

Beim Wirkungsgrad ist Luft nach oben

Eine Reihe von Unternehmen bietet bereits einsatzbereite Module an, die ihre Tauglichkeit in Pilotprojekten bereits unter Beweis stellen: In Spanien hängen OPV-Module vom deutschen Unternehmen Heliatek am Turm einer Windkraftanlage. In Südkorea produzieren sie auf einer Flughafen-Gangway Strom und im Duisburger Hafen an einer Lagerhalle. Eine der ersten dieser Anlagen installierte 2016 die damalige RWE-Tochter innogy an einer Biogas-Anlage. „Die Ausbeute ist sehr klein, aber für einen Piloten erfreulich stabil“, sagt Claus Linnemann, der das Projekt seitens innogy begleitete und heute Technical Innovation Partner bei RWE Renewables ist.

Wie so oft bei relativ jungen Technologien, hat es die OPV bisher schwer, sich am Markt durchzusetzen. Dies liegt in erster Linie am Wirkungsgrad. Heute verfügbare OPV-Module wandeln bis zu acht Prozent der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in Strom um. Monokristalline Silizium-Photovoltaik (SI-PV) schafft mehr als 20 Prozent. „Schon heute ist klar, dass in Zukunft OPV-Module mit mehr als 15 Prozent Wirkungsgrad absolut realistisch sind.“ Die Hauptargumente für OPV seien aber andere Faktoren. Und davon gibt es eine ganze Reihe.

Eine Folie für alle Fälle

Bei Heliatek zum Beispiel konzentriert man sich auf das geringe Gewicht und die Flexibilität der Module. Das deutsche Unternehmen stellt fertige OPV-Module her, die mit ihrem Gewicht von etwa zwei Kilogramm pro Quadratmeter mehr oder weniger überall aufgeklebt werden können, wo Platz ist und – im Idealfall – viel Sonne hingelangt. Um den Strom zu nutzen, genügt ein Wechselrichter.

„Das Einsatzgebiete unserer Produkte sind Gebäude, die eine konventionelle PV-Anlage nicht tragen würden“, erklärt Stephan Kube, Head of Marketing bei Heliatek. Die OPV-Module können bis auf einen Radius von 20 Zentimetern gebogen werden, sodass sogar Einsätze auf Laternen- oder Ampelmasten möglich sind.

Pilotprojekte aus aller Welt

Perspektivisch will das Unternehmen gemeinsam mit Partnern Baustoffe wie Glas, Metall oder Beton anbieten, die direkt als Träger für die hauchdünnen Solarmodule fungieren, um noch mehr Gewicht zu sparen. Denkbar sind auch Anwendung auf so flexiblen Trägern wie Schiffssegeln, landwirtschaftlichen Schutzfolien oder Planen von Festzelten oder Leichtbauhallen.

PV-Module für die Fensterscheibe

OPV hat aber noch eine andere – „wirklich einzigartige“ – Eigenschaft, betont Fraunhofer-Forscher Zimmermann: „OPV-Materialien absorbieren das Licht nur in einem bestimmten Spektralbereich. Alle anderen Halbleiter absorbieren ab einer bestimmten Energie das gesamte Licht.“

Auf diese Eigenschaft konzentriert sich das US-Startup Ubiquitous Energy. Die Kalifornier stellen stromerzeugenden Fensterscheiben her. Dafür bringen sie transparente OPV-Folie direkt auf Fensterglas auf. Der Clou: Die Folien nutzen, wie Zimmermann beschreibt, nur die nicht-sichtbaren Lichtfrequenzen (infrarot und ultraviolett) zur Stromerzeugung. Die sichtbaren Wellenlängen lassen sie weitgehend hindurch. Der Effekt ist lediglich eine leichte Tönung der Fensterscheiben.

Niedrigerer Wirkungsgrad zugunsten der Transparenz

„Rechnungen zeigen, dass damit immer noch ein technisch relevanter Wirkungsgrad erreicht werden kann“, sagt Zimmermann. Bis zu zehn Prozent der Sonnenenergie, hofft man bei Ubiquitous Energy, werde man einst in Strom umwandeln können. Der Wirkungsgrad transparenter OPV-Module wird immer niedriger liegen als bei solchen, die – wie bei Heliatek – eine metallische Rückwand haben, die das Licht zurückspiegelt und es dadurch doppelt zur Stromerzeugung nutzen.

In besonders heißen und sonnenreichen Regionen hat die Tönung zusätzlich eine klimatisierende Wirkung, weil eben ein Teil der Sonnenenergie abgefangen wird. Nach Plänen des Unternehmens könnten mit solchen OPV-Anlagen nicht nur Fenster von Wohn- und Geschäftsgebäuden, sondern auch ganze Gewächshäuser zur Stromerzeugung genutzt werden.

Liefert OPV den nachhaltigeren Sonnenstrom?

Ein weiterer, zunehmend wichtiger Vorteil ist das Material der OPV-Module: „Organische Photovoltaik wird mit Abstand die umwelt- und klimafreundlichste Form der Stromerzeugung sein, die wir kennen“, sagt Zimmermann. Das Halbmetall Silizium, das Basis herkömmlicher Solarzellen ist, gehört zwar nicht zu den kritischen Rohstoffen; nach Sauerstoff ist es das häufigste Element der Erdkruste. Dennoch ist die Verarbeitung zu Solarzellen sehr energieaufwendig. Hinzu kommen vor allem bei Dünnschichtsolarzellen Schwermetalle, die nach der Nutzungsdauer gesondert entsorgt werden müssen.

OPV-Zellen könnten im Prinzip mit dem gelben Müll verwertet werden, sagt Zimmermann, und ihre Herstellung sei wesentlich energieeffizienter, und damit auch emissionsärmer sowie – potenziell – preiswerter: „Da es keine Produktion in industriellem Maßstab gibt, sind die Preise heute noch sehr hoch. Bei voller Skalierung und entsprechenden Lerneffekten in Materialkomposition und Produktionsprozessen dürfte OPV aber sehr wahrscheinlich deutlich billiger werden als SI-PV.“

Eine CO₂-Bepreisung, die Herstellungsemissionen einbezieht, und eine Entsorgungsverpflichtung für die Betreiber könnte OPV zwar einen weiteren Wettbewerbsvorteil gegenüber SI-PV verschaffen. Letztlich aber, meint Zimmermann, sei es notwendig, die Wirkungsgrade zu steigern, um einen Massenmarkt zu bedienen. Dann könnte OPV in großem Umfang vor allem dort zum Einsatz kommen, wo SI-PV nicht in Frage kommt. Alles andere würde den Platz für die Gewinnung von Solarstrom auch nur noch stärker verknappen. „Leistungsstarke OPV-Module“, ist sich Zimmermann sicher, „werden in Zukunft die etablierten Technologien ergänzen können und dann auch einen signifikanten Beitrag zur erneuerbaren Stromgewinnung leisten.“