Mit Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird seit etwa zehn Jahren experimentiert. Gegenüber ihren Pendants aus Silizium, das in seiner reinen Form auf den Weltmärkten bisweilen sehr teuer gehandelt wird, haben sie den Vorteil, dass die Ausgangsstoffe preiswert sind. Der Wunsch nach unbegrenzter billiger Energie aus der Sonne könnte mit ihnen also in Erfüllung gehen.

Bei der aktiven Schicht dieser Solarzellen handelt es sich um eine Mischung aus einem Polymer und Fulleren – Letzteres ist ein Kohlenstoffmaterial, bestehend aus dem "Fußballmolekül" C60, höhere Formen von C70 bis C94 sind ebenfalls möglich. Üblicherweise werden sie auf Glas oder Kunststoff aufgebracht, doch nun soll ein neuer Träger ihre Produktion vereinfachen: bedrucktes Papier.

Solarzellen von der Druckerrolle
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Bald können Solarzellen vielleicht wie Zeitungen einfach auf Papier gedruckt werden – das würde ihre Produktion erheblich verbilligen.
Was zunächst überraschend klingt, birgt doch viele Vorteile: Der Preis von Papier beträgt nur etwa ein Tausendstel desjenigen von Glas und ein Hundertstel bis ein Zehntel von Kunststoff – ein gewichtiges Argument, da der Träger einer Solarzelle zwischen 25 und 60 Prozent der Gesamtkosten ausmacht. Außerdem ist Papier umweltfreundlich, biologisch abbaubar, leicht zu recyceln, mechanisch flexibel und kompatibel mit etablierten Druckverfahren. Schließlich blickt die Fabrikation und Verarbeitung von Papier auf eine jahrhundertelange Erfahrung zurück.

Schwacher Wirkungsgrad

Allerdings bereitete es bislang Probleme, Papier als Träger von Solarzellen einzusetzen. Dem standen unter anderem die Rauigkeit und die schlechte Benetzbarkeit der Oberfläche entgegen, doch einer Forschergruppe um Miles Barr vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge ist es jüngst gelungen, in einem Aufdampfverfahren (Chemical Vapor Deposition) im Vakuum das fotovoltaisch aktive so genannte PEDOT:PPS auf Papier aufzubringen [1]. Dieses elektrisch leitfähige Polymer gilt als das am besten untersuchte Material in diesem Bereich.

Die auf diese Weise hergestellten Solarzellen hatten eine anfängliche Effizienz von etwa 1,4 Prozent, was noch deutlich unter den Werten herkömmlicher wie anderer Solarzellen liegt. Zum Vergleich: Die besten Siliziumzellen weisen einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent auf, die besten organischen immerhin einen von rund 8 Prozent. Außerdem sank der Wert der PEDOT:PPS-Zellen auf Papier bei konstanter Beleuchtung innerhalb kurzer Zeit ab. Dieses rasche "Altern" organischer Solarzellen oder auch organischer Leuchtdioden ist ein altbekanntes Problem. Es lässt sich abschwächen, indem man die Solarzelle beispielsweise mit einer Folie vor der Luft schützt. Damit konnten Barr und Kollegen den Zeitraum, innerhalb dessen die Effizienz auf die Hälfte abgesunken war, auf rund 800 Stunden verlängern.

Papierdünn
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Statt auf Glas setzen die Ingenieure auf Papier als Trägermaterial, was die Produktionskosten senkt. Da das Solarzellmaterial zudem ein organischer Kunststoff ist statt reines Silizium, ist die fertige Solarzelle außerdem sehr biegsam.
Einen Schritt weiter ist bereits die Gruppe von Arved Hübler an der TU Chemnitz [2]: Sie kann die organische Solarzelle mit herkömmlichen Druckmaschinen auf Papier aufbringen. Bis vor Kurzem verwendeten die Forscher Silber als Material für die Basiselektrode. Allerdings ist dies teuer und wird aus Umweltschutzgründen nicht gerne eingesetzt. Hübler und Kollegen verwenden stattdessen oxidiertes Zink und bringen das bekannte PEDOT:PSS als transparente Gegenelektrode auf.

Drucken wie eine Zeitung

In einer solchen Solarzelle fungiert das Polymer als Donor und das Fulleren als Akzeptor der elektrischen Ladungsteilchen. Das fotoaktive Polymer absorbiert Licht und generiert ein Elektron-Loch-Paar, das sich an der Donor-Akzeptor-Schnittstelle trennt. Die erzeugten Elektronen und Löcher werden an der Kathode beziehungsweise Anode gesammelt, wobei die natürlich oxidierte Zinkschicht als Kathode und das PEDOT:PSS als Anode fungieren.

Die 3PV genannte Technologie – das 3PV steht für Printed Paper Photo Voltaics – benötigt keine aufwändige Fertigungstechnik, sondern bringt die unterschiedlichen Schichten mit Hilfe von einfachen Rolle-zu-Rolle-Druckprozessen unter normalen Raumbedingungen auf. Die Solarzellen werden also mit Druckverfahren hergestellt, wie sie auch im Zeitschriften- und Verpackungsdruck üblich sind. Das könnte dieses Verfahren insbesondere für Entwicklungsländer interessant werden lassen, weil die gedruckten Solarzellen direkt dort hergestellt werden könnten. "Eine große Druckmaschine mit Druckbreiten von zwei Metern und mehr und Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 15 Meter pro Sekunde bedruckt heute in wenigen Stunden eine Fläche, die der weltweiten Jahresproduktion der Solarindustrie entspricht", verspricht sich Hübler Großes von der Technologie.

Solarzellen für den Alltag

Im Vergleich zu den herkömmlichen Siliziumsolarzellen muss man freilich umdenken. Ein 3PV-Modul besitzt eine geringere Effizienz und hat eine Lebensdauer von bestenfalls einigen Monaten. Ein 3PV-Modul ist dagegen wesentlich billiger, und Solarzellen würden damit zum recycelbaren oder leicht zu entsorgenden Alltagsprodukt. Hübler verdeutlicht das an einem Beispiel: Ein Kioskbesitzer etwa in Afrika bestellt eine Ladung Getränkedosen. Diese sind in einem Karton verpackt, der auf der Innenseite mit Solarzellen bedruckt ist. Der Händler packt die Dosen aus, entfaltet sorgfältig den Karton und hängt die Solarzelle an geeigneter Stelle auf – etwa einer Wäscheleine. Mit einfachen Metalldruckknöpfen lassen sich schon jetzt die einzelnen Module zu einer größeren Einheit verbinden. Wenn die Regenzeit kommt, werden sie abgenommen und weggeworfen oder recycelt.

Produktionsablauf
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Bis es so weit ist, müssen die organischen Solarzellen jedoch noch weiter verbessert werden. Im Moment besitzen sie Energieeffizienzen um 1,5 Prozent bei einer Spannung von etwa 0,5 Volt. Ihr Wirkungsgrad müsste noch auf mindestens 5 Prozent gesteigert werden, weil sonst zu große Flächen nötig sind. Und eine standardisiert ermittelte Lebensdauer liegt ebenfalls noch nicht vor. "Aus den bisherigen Erfahrungen erscheint ein erstes Ziel von mindestens 100 Tagen realistisch", so Hübler. Er denkt auch gleich noch weiter: "Es besteht zudem die Möglichkeit, auf den Modulen weitere Funktionen zu integrieren. So sind gedruckte Batterien und gedruckte Schaltungen zur Steuerung der Auf- und Entladung denkbar. Auch sie könnten einfach auf die Rückseite der Papierbahn gedruckt werden."