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Photovoltaik

Sonnige Aussichten

Prof. Jenny Nelson ist eine Koryphäe in der Forschung mit organischen Solarzellen. Im Interview erläutert sie die neuesten Trends.

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Professor Jenny Nelson vom Imperial College in London forscht seit einem Jahrzehnt an organischen Solarzellen und gilt als Koryphäe auf diesem Zukunftsgebiet. Für ihre Arbeit ist sie mehrfach ausgezeichnet worden, unter anderem von der britischen Royal Society und dem Institute of Physics. Mit ENERGLOBE.DE sprach Nelson über Probleme und Chancen der Plastik-Winzlinge.

Frau Professor Nelson, Sie erforschen Plastik-Solarzellen. Woher stammt dieser etwas seltsame Ausdruck?

Prof. Jenny Nelson: Eine organische Solarzelle besteht aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, also aus Kunststoffen. Daher wird sie synonym Plastik-Solarzelle genannt. Hinzu kommt: Auch das Substrat, auf das die Zelle als dünner Film aufgetragen wird, besteht aus Plastik. Es ist knapp einen halben Millimeter dick.Die Zelle selbst ist nur ein Hundertstel Millimeter dick.

Was unterscheidet diese Plastik-Zellen von den hellblauen Silizium-Wafern, die typischerweise auf Hausdächern installiert sind?

Nelson: Die Organische Photovoltaik, kurz OPV, steckt noch in den Kinderschuhen, zumindest im Vergleich zur anorganischen, auf Silizium basierenden Variante. Aber sie hat enormes Potential und eignet sich ideal zur großflächigen Anwendungen etwa auf Gebäudefassaden. Die Herstellungskosten liegen pro Quadratmeter deutlich niedriger als bei Silizium-Zellen, derzeit bei rund einem Viertel, mit weiter fallender Tendenz. Allerdings sind die Wirkungsgrade von OPV auch deutlich niedriger.

Wie hoch liegen sie derzeit?

Nelson: Aktuell hält die Forschungsabteilung von Mitsubishi den Weltrekord – mit neun Prozent Wirkungsgrad. Im November letzten Jahres lag die Bestmarke noch bei 8,3 Prozent, ein Jahr zuvor bei 7,4 Prozent. Als ich vor zehn Jahren am Imperial College mit der Forschung an OPV begann, lag der Weltrekord im Labor noch knapp über einem Prozent. Die Entwicklung ist also durchaus rasant.

Wo liegt das theoretische Limit für OPV-Wirkungsgrade?

Nelson: Darüber rätseln wir Wissenschaftler noch, weil ungeklärt ist, wie genau Ladungen in organischen Zellen entstehen und transportiert werden. Sicher ist nur, dass die theoretisch erreichbaren OPV-Wirkungsgrade unter denen von Silizium-Solarzellen liegen. Deren thermodynamisches Limit liegt bei 29 Prozent, wie der US- Nobelpreisträger William Shockley bereits vor rund 50 Jahren vorgerechnet hat. Andere Zellen, die beispielsweise auf dem Halbleiter Galliumarsenid basieren, können theoretisch 31 Prozent erreichen. Zum Vergleich: Die Silizium-Module, die derzeit auf Hausdächern installiert werden, erreichen meist 17 bis 18 Prozent. Das theoretische Limit ist für den kommerziellen Durchbruch nicht so wichtig. Hersteller peilen OPV-Wirkungsgrade zwischen 10 und 15 Prozent an. Wichtiger ist es, den Preis pro Kilowatt zu senken. Das schafft man auch durch geringere Herstellkosten.

Wie entwickeln sich die Herstellkosten bei OPV?

Nelson: Sie sinken seit Jahren rapide und werden weiter fallen; der begrenzende Faktor ist der Preis des Plastiksubstrats, auf das diese Halbleiter aufgetragen werden. Die Kosten des Halbleiters selbst werden schon bald, innerhalb der nächsten drei Jahre, vernachlässigbar sein.

Klingt vielversprechend. Wann wird OPV marktreif?

Nelson: Wir müssen noch das Problem der Langzeitstabilität lösen. Da liegen wir erst bei ein paar Jahren, während Silizium-Zellen einige Jahrzehnte halten. Immerhin gibt es auch hier ständig Fortschritte: Als ich vor zehn Jahren mit der OPV anfing, sprach man in Punkto Haltbarkeit noch von Monaten. Inzwischen spricht man von Jahren.
Zur Marktreife sei gesagt:D
er US-Wissenschaftler Alan Heeger, der im Jahr 2000 den Chemie-Nobelpreis für seine OPV-Forschung erhielt, hat inzwischen ein eigenes Unternehmen namens Konarka zur Vermarktung dieser Technologie gegründet. Konarka stellt zum Beispiel Fahrradtaschen mit integrierter OPV her. Das ist ein Vorgeschmack: In Zukunft werden wir OPV auf Wänden, Fenstern, Rollläden, auf Bussen und Pkws finden. Die Plastik-Solarzellen können auf alle Flächen, auch auf unebene Flächen, problemlos aufgedruckt werden.

Werden OPV-Zellen die Silizium-Wafer vom Markt verdrängen?

Nelson: Nein, beide Technologien ergänzen sich eher. Silizium-Zellen werden wegen der höheren Wirkungsgrade für dicht besiedelte Gegenden mit wenig freien Flächen erste Wahl bleiben. Übrigens werden auch die Cadmium-basierten Dünnfilme, die sogenannte zweite Generation der Solarzellen, eine Rolle spielen können – wenn ihre Hersteller die Probleme der Toxizität und der geringen Verfügbarkeit der benötigten Materialien wie Tellur und Indium in den Griff bekommen.

Zum Schluss nochmal eine Frage zum Namen: Der Präfix „Plastik“ klingt nicht besonders ökologisch, sondern eher nach Wegwerfgesellschaft. Stört Sie das?

Nelson: Der Begriff hat sich eingebürgert. Er ist sicher anschaulicher als der technische Ausdruck der organischen Solarzelle. Das ist der Vorteil. Es ist schade, dass der Präfix nicht nachhaltig klingt, obwohl Plastik-Solarzellen ein wichtiger Teil der ökologischen Energiewende sind. Sie sind in mancher Hinsicht sogar ökologischer als die beiden anderen Generationen von Solarzellen, weil sie die für die Produktion der Zellen benötigte Energie in deutlich kürzerer Zeit durch erzeugten Solarstrom kompensieren – schon nach weniger als einem Jahr. Durch den sehr geringen Einsatz von Halbleitern gibt es nach dem Ende der Betriebszeit auch kein nennenswertes Entsorgungsproblem. Die mögliche Assoziation mit Wegwerfgesellschaft und Müllbergen ist also völlig falsch.

Jenny NelsonZur Person:

Jenny Nelson ist seit 2006 Professorin für Physik am Imperial College of Science, Technology and Medicine in London, der führenden Technischen Hochschule Großbritanniens. Nelson ist Autorin des Standardwerks „Physics of Solar Cells“, das inzwischen auch ins Chinesische übersetzt wurde.

Weitere Informationen:

Homepage von Jenny Nelson: www3.imperial.ac.uk

»DIE KRISE DER IDEE VON EINER WELTORDNUNG

(IST) DAS ULTIMATIVE INTERNATIONALE

PROBLEM VON HEUTE«

Henry Kissinger,„World Order”, August 2014