allTEIL C

Die verschiedenen Solarzellenarten III

Nano-Solarzellen


Nanotechnik oder Nanotechnologie ist eine Bezeichnung für ein Konglomerat von Konzepten, Theorien und Techniken, bei denen Objekte im Nanometermaßstab untersucht und manipuliert werden. Das Besondere dieses Größenbereichs ist es, daß die Objekte zum Teil völlig andere Eigenschaften zeigen als Objekte mit gleicher chemischer Zusammensetzung, aber anderer Größe bzw. Form. Die Nanotechnologie wurde im Laufe der Jahre in mehr und mehr Solarzellen-Typen einbezogen, weshalb sie uns schon mehrfach begegnet ist und auch weiterhin begegnen wird. Hier sind jene Entwicklungen aufgeführt, die von nanotechnischen Systemen direkt ausgehen, oder die sich aufgrund unzureichender Spezifikationen nicht anders zuordnen lassen.

Die Firma STMicroelectronics N.V. (STM), Europas größter Halbleiterhersteller, berichtet im September 2003 über ein Forschungsprojekt, das Ende 2004 abgeschlossen wird und das die Stromerzeugung mit Solarzellen in absehbarer Zeit rentabel machen soll. Dabei werden statt Siliziumkristallen, die durch die erforderliche hohe Reinheit die derzeit verfügbaren Solarzellen preislich wenig attraktiv machen, neue Materialien eingesetzt. Derzeit werden zwei unterschiedliche Wege verfolgt. Der erste Ansatz basiert auf der Erfindung von Professor Grätzel (s.o.), während der zweite Weg weitgehend organische Materialien unter Verwendung von Nanostrukturen benutzt. Das Unternehmen zielt auf eine 20-jährige Lebensdauer der Solarzellen und einen Preis pro Kilowattstunde von unter 0,20 €. Der angepeilte Wirkungsgrad der Zellen liegt zwar mit 10 % deutlich unterhalb dem hochwertiger Silizium-Solarzellen, aufgrund der wesentlich niedrigeren Herstellungskosten würde dieser Nachteil allerdings mehr als wettgemacht.

2010 gründet STM gemeinsam mit dem Elektronikkonzern Sharp und Enel Green Power (EGP) das Joint Venture-Unternehmen 3Sun S.r.l., das Ende 2011 damit beginnt Dünnschicht-Solarmodulen für die Vermarktung in Europa und der Mittelmeerregion zu produzieren. Standort ist eine bereits existierende Produktionsstätte von STM in Catania auf Sizilien. Zu Beginn soll die jährliche Produktion bei 160 MW liegen, langfristig werden aber 480 MW anvisiert.

Zum Einsatz kommen sollen die Dünnschicht-Nanozellen aus der 3Sun-Fertigung in großen PV-Anlagen in Europa, im Mittleren Osten und in Afrika, für deren Errichtung Sharp und EGP das gemeinsame Joint Venture Enel Green Power & Sharp Solar Energy (ESSE) gründen. Bis Ende 2016 sind dabei Solaranlagen mit einer Leistung von über 500 MW geplant. Ansonsten bietet STM ein breites Produktspektrum von Chips für die Automobilindustrie über Flashspeicher zu komplexen Ein-Chip-Systemen (SoC) für die Telekommunikations- und Unterhaltungselektronikindustrie an.

Auch die DaimlerChrysler AG forscht 2003 bereits an Nanozellen. Im Rahmen des Verbundprojekts Selbstorganisiertes Wachstum auf Silizium (SOWASI) arbeitet das Unternehmen gemeinsam mit der TU München und dem Walter Schottky Institut an der Entwicklung von Silizium/Germanium-Nanostrukturen für neuartige Hochleistungs-Dünnschichtsolarzellen (Si/Ge-Qdot-Solarzelle). Die Projektabwicklung erfolgt durch das VDI-Technologiezentrum, die Förderung übernimmt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Silizium/Germanium-Qdot-Zelle

Silizium/Germanium-
Qdot-Zelle

In diesem Projekt steht die Verbesserung der Materialeigenschaften durch die Verwendung von Ge-Nanostrukturen im Vordergrund, welche durch einen selbstorganisierenden Prozeß während des Wachstums gebildet werden. Durch die Optimierung der Schichtstruktur von kombinierten Quantendot/Quantumwell-Zellen in Verbindung mit einer Verbesserung der Si-Dünnschicht-Technologie wird in den kommenden Jahren ein hohes Verwertungspotential erwartet, das von dem international wachsenden Satellitenmarkt und der steigenden Nachfrage an kostengünstigen Hochleistungssolarzellen profitieren soll. Auf dem Foto sieht man eine Transmissionselektronen-Querschnittaufnahme einer epitaktisch gewachsenen Si/Ge-Qdot-Solarzelle mit zehn aktiven Ge-Lagen auf Silizium-Substrat und n+ -Emitter auf der Oberfläche.

Doch DaimlerChrysler arbeitet auch an einem Nano-Solarlack, dessen Vorteil in seiner großen inneren Oberfläche liegt – was unter Fachleuten als ‚hohe Nano-Porosität’ bezeichnet wird. Die Labormuster und Demonstrationsmodelle des Teams um Hartmut Presting erreichen bereits einen Wirkungsgrad von rund 10 % und zeigen eine geringe Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichts. Der auf ein paar Quadratzentimetern Stahlblech aufgetragene Solarlack liefert soviel Energie, daß er einen kleinen Elektromotor auf Touren bringen kann.

Als Alternative zum Solarlack befassen sich die Ulmer Wissenschaftler auch mit einer Solarzellenfolie, die aus einer dünnen Kunststofffolie besteht, auf die eine photoaktive organische Schicht mit halbleitenden Nanolamellen aufgebracht ist. Diese organischen Solarzellen erreichen bislang zwar nur eine Effizienz von 3 % und sind elektrochemisch nicht sehr stabil, denn bereits nach einem halben Jahr ist ein deutlicher Leistungsverlust zu beobachten. Die Vorzüge sind jedoch eine äußerst kostengünstige Herstellung und die hohe Biegsamkeit, weshalb sie sich gut an gewölbte Flächen wie etwa Kotflügel oder Motorhauben anpassen lassen.

Die Nanospezialisten von DaimlerChrysler wollen nun zusammen mit externen Partnern die bisherigen Labormuster weiter verbessern und sind zuversichtlich, in fünf bis sechs Jahren erste Lösungen zeigen zu können. Für einen ‚solaraktiven’ Pkw, bei dem die gesamte Karosserie als Solarzelle fungiert, kann eine Leistung von etwa 0,5 kW erwartet werden. Dies könnte, durch Entlastung der Lichtmaschine, den Benzinverbrauch um 0,5 Liter pro 100 Kilometer senken. Ein auf der IAA 2011 mit BASF zusammen präsentiertes Konzeptfahrzeug smart forvision vereint futuristisches Design mit neuen Technologien rund um die Themen Energieeffizienz, Leichtbau und Temperaturmanagement. Zum Einsatz kommen u.a. vollflächig transparente Solarzellen, die in einem Sandwichdach eingelassen sind und auf organischen Farbstoffen basieren. Bis solche Konzepte auf den Markt kommen, wird es wohl noch etwas dauern.

Im Mai 2004 gründet Nabil M. Lawandy die Firma Solaris Nanosciences Corp. mit Hauptquartier in downtown Providence, und Forschungseinrichtung in East Providence, Rhode Island. Das mit 750.000 $ ausgestattete Tochterunternehmen der Spectra Systems Corp., einem Spezialisten für optische Hochleistungsmaterialien, der sich im Jahr 1996 aus der Brown University ausgegliedert hatte, will mit seinem NanoAntenna genannten Material Solarzellen mit geringen Herstellungskosten, hoher Effizienz und langer Lebensdauer entwickeln. Weitere Einsatzgebiete sind LCD-Displays sowie chemische und biologische Sensoren.

Die Wissenschaft hinter den NanoAntennas geht auf einen Effekt zurück, den schon die Römer im 4. Jahrhundert n. Chr. beobachtet hatten. Sie bemerkten, daß durch Auflösen von Metallen wie Gold und Silber in Glas in diesem neue Farben erscheinen, die völlig verschieden von den Farben der ursprünglichen Metalle sind. Der Physiker Michael Faraday zeigte im 19. Jahrhundert, daß dieser Effekt durch eine neuartige optische Absorption hervorgerufen wird, die in Metallteilchen auftritt, deren Abmessungen wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Solaris entwickelt mehrere skalierbare Synthesewege zur Herstellung des NanoAntenna-Materials und besitzt bereits sieben erteilte Patente. Weitere sechzehn Patentanmeldungen betreffen spezifische Anwendungen von Nano-Antennen, die Synthese von Materialien und Oberflächen-Modifikationen.

Im November 2004 tritt Dr. Michael Grätzel dem Scientific Advisory Board des Unternehmens bei, im März 2005 gibt es eine Anleihe des Slater Technology Fund in Höhe von 150.000 $, und im Mai wird die Umsetzung der Technologie für die LCD-Produktion vom World Gold Council gefördert, da die anisotropen nanoskaligen Stabstrukturen aus Gold,  wenn sie in flüssige Kristalle eingebaut werden, voraussichtlich den Betrachtungswinkel der Displays verbessern werden. Im Juli wird ein gemeinsames Entwicklungsprogramm mit der Firma Konarka Technologies Inc. beschlossen (s.u. Organische Solarzellen). Die beiden Unternehmen wollen die Leistung und den Wirkungsgrad von Solarzellen bewerten, die mit Konarkas lichtsensitiven Kunststoffmaterial und Solaris Nanostäbchen hergestellt sind.

Die letzte Meldung stammt vom August 2005, als Solaris die weltweit erste komplett wieder aufladbare Farbstoff-Solarzelle (DSSC) bekannt gibt. Über ein kostengünstiges und nichttoxisches chemisches Verfahren ist es in weniger als 30 Minuten möglich, die abgebauten Farbstoffe in bereits installierten DSSCs zu entfernen und durch neuen Farbstoff zu ersetzen, was die ursprüngliche Leistungsfähigkeit der Solarzelle wieder herstellt und ihre Lebensdauer auf über 30 Jahre verlängert.

Danach hört man jedoch nichts mehr von dem Unternehmen.

Die Vorstellung, daß Solarzellen aus Plastik eines Tages bis zu fünfmal effizienter sein werden als die heutigen Technologien ist nicht mehr abwegig, nachdem es Wissenschaftlern der University of Toronto um Prof. Ted Sargent Anfang 2005 gelingt, mittels Nanopartikeln das entsprechende Polymer-Material so zu verändern, daß es auch die Infrarotstrahlung der Sonne in Strom umwandeln kann. Die Substanz läßt sich wie Fabe auf Trägermaterialien aufsprühen - und die Lackierung eines Fahrzeugs könnte beispielsweise die Batterie nachladen. Dabei ist die Infrarotzelle noch nicht einmal auf die Sonne angewiesen, sondern kann Wärmestrahlung auch aus jeder anderen Quelle nutzen. Als potentieller Wirkungsgrad werden bis zu 30 % angegeben.

Einem Team von Wissenschaftlern der Wake Forest University und der New Mexico State University gelingt es Ende 2005, eine streichfähige, auf Nano-Materialien beruhende organische Substanz zu entwickeln, mit der sich aus Dächern große Solarzellen machen lassen. Ihr Mix besteht aus Polymeren und Fullerenen in Form von Buckyballs aus Kohlenstoff. Im Gegensatz zu ähnlichen früheren Materialien, die maximal 4 % Wirkungsgrad erreichten, kommen die Wissenschaftler nun auf 5,2 % und erwarten, im Laufe der nächsten fünf Jahre die 10 % - Hürde überspringen zu können. Anfang 2007 wird im Rahmen einer erweiterten Kooperation mit dem Korea Institute of Science and Technology in Seoul untersucht, ob durch eine Erhitzung auf rund 150ºC die Effizienz der Solarzellen zu steigern ist. Zu diesem Zeitpunkt werden bereits 6 % erreicht, für eine kommerzielle Umsetzung jedoch mindestens 8 % benötigt.

Ghim Wei Ho und seine Kollegen von der University Cambridge experimentieren seit 2006 ebenfalls mit der Entwicklung neuer Materialien. Für ihren Versuch tropfen sie das flüssige Metall Gallium, das in seinen verschiedenen Verbindungen auch zur Herstellung von Leuchtdioden und Transistoren dient, auf eine Silizium-Oberfläche. Das Ganze wird mit einem Methan enthaltenden Gas bedampft und kondensiert dann in Form von Nanodrähten aus Siliziumkarbid mit einem Durchmesser von weniger als dem Tausendstel eines menschlichen Haares. Das Verfahren nennt sich chemische Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition). Durch Veränderung des Druckes und der Temperatur kann der Wachstumsprozess der feinen Drähtchen beeinflußt werden und es entstehen verschiedene neue Strukturen und Formen, die auch praktische Anwendungsmöglichkeiten für Nanomaterialien bergen, u.a. als Grundlage für einen neuen Typ von Solarzelle.

Dazu ein kleiner Exkurs: Alle heutigen Solarzellen liefern maximal ein angeregtes Elektron pro eingefangenem Photon. Ihr Prinzip beruht darauf, daß ein eintreffendes Photon den sogenannten Bandabstand überwindet, also den Energieabstand im Halbleiter zwischen einem im Kristall fixierten und einem frei beweglichen Elektron. Bei Silizium entspricht diese elektromagnetische Strahlung dem Infrarot, und dies bedeutet, daß alle längerwelligen, niederenergetischen Anteile des Sonnenlichts auf die Fotozelle keine andere Auswirkung haben, als sie zu erwärmen. Nur ein Lichtstrahl der genau richtigen Wellenlänge löst ein Elektron aus und wird daher mit optimalem Wirkungsgrad in Strom umgesetzt.

Kürzerwellige Strahlung, also das gesamte sichtbare Lichtspektrum, die ultraviolette Strahlung usw., erzeugen aber ebenfalls nur einen Ladungsträger, der die Energie des Bandabstands erhält. Der höhere Energieinhalt des sichtbaren Lichts kann somit nicht ausgenutzt werden und führt erneut nur zur Erwärmung der Solarzellen.

Allerdings entdeckte der Materialwissenschaftler Alexander Efros am Naval Research Laboratory in Washington DC schon 1982 die theoretische Möglichkeit, daß ein Photon auch mehrere Ladungsträger freisetzen kann. Zwei Jahrzehnte stetiger Verbesserungen an den sogenannten  Halbleiter-Nanokristallen (oder auch Quantum Dots, s.d.) sind notwendig, bis der Chemiker Arthur Nozik vom NREL 2002 bestätigen kann, daß Nanokristalle gegenüber massiven Halbleitern tatsächlich im Vorteil sind. Der Grund hierfür ist, daß sich in Nanostrukturen die Physik verändert, und in vier bis acht Nanometer großen halbleitenden Bleiselenid-Nanokristallen bis zu sieben (!) energiegeladene Ladungsträger pro eintreffendem Photon entstehen, anstatt nur einem.

Es dauert dann allerdings noch bis 2004, bis der Physiker Victor Klimov aus Los Alamos endlich belegen kann, daß derartiges Verhalten auch reproduzierbar und nachweisbar ist, was wiederum 2006 von einer Forschergruppe am National Renewable Energy Laboratory (NREL) bestätigt wird. Nun will Klimov durch Miniaturisierung der Solarzellen auf wenige Nanometer – was durch die Chipherstellung eine mittlerweile durchaus realisierbare Technik ist – die Effizienz auf mindestens zwei, theoretisch aber sogar bis zu sieben Elektronen pro eintreffendem Photon erhöhen.

Ein Problem bei der praktischen Umsetzung ist jedoch, dass diese multiplen Ladungsträger-Aktivierungen nur im Picosekundenbereich stattfinden, bevor die Elektroden mit ihren Fehlstellen im Kristall rekombinieren. Bei normalen Solarzellen liegt diese Rekombinationszeit immerhin im Mikrosekundenbereich, also um den Faktor einer Million höher. Eine mögliche Lösung hierfür könnte sein, die Halbleiter mit Polymeren (Kunststoffen) zu mischen, eine andere Möglichkeit sind Nanodrähte. Und auch das Halbleitermaterial selbst ist überdenkenswert: Bleiselenid ist nicht nur sehr giftig, sondern auch nur für energiereiche kurzwellige Photonen geeignet. Im vorliegenden Fall wäre jedoch gerade ein Halbleiter nützlich, der bereits bei langwelliger Strahlung anspricht. Mögliche Kandidaten hierfür sind Bleisulfid, Bleitellurid und Cadmiumselenid. Allerdings senkt dies wiederum die Spannung der Solarzellen. Mit der neuen Technik sollen sich - zumindest theoretisch - Wirkungsgrade von 45 % bis 50 % erreichen lassen.

An der University of Queensland wird 2006 an der Verbesserung der Langzeitstabilität und des Wirkungsgrades von Solarzellen aus Plastik und mikroskopisch kleinen Nano-Kristallen gearbeitet. Dort treffen Elektronen auf einen dünnen Film aus Titaniumdioxid, während die Zelle selbst aus einer ebenfalls sehr dünnen Plastikschicht besteht, die mit Nano-Kristallen angereichert ist, welche die Ladung innerhalb der Zelle kanalisieren.


Die Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie schreiten inzwischen sehr schnell voran und sind auch äußerst vielversprechend. Aus diesem Grunde gibt es immer mehr Gruppen an Universitäten, in Forschungsinstituten und bei Unternehmen, die sich intensiv mit einer Umsetzung im Bereich neuer Solarzellen beschäftigen.

Soweit es geht habe ich diese Entwicklung verfolgt und hier dokumentiert, es ist jedoch so gut wie unmöglich, einen kompletten Überblick zu erlangen – dies würde tatsächlich ein eigenes Rechercheteam erfordern. Die folgenden chronologisch geordneten Informationen sind daher etwas knapp gehalten, nennen jedoch die Namen der Institutionen und der federführenden Wissenschaftler, so daß eine vertiefende Recherche leicht möglich ist:


Dezember 2006: Takanori Fukushima an der University of Tokyo entwickelt gemeinsam mit seinem Team Nanokabel, welche Licht in Strom umwandeln und in Zukunft zu Versorgung von Nano-Robotern eingesetzt werden sollen. Die Kabel haben einen Durchmesser von 16 Nanometer und sind mehrere Mikrometer lang. Sie imitieren eine lichtempfindliche Antenne, wie einige Bakterien sie besitzen.

April 2007: Jud Ready vom Georgia Institute of Technology arbeitet mit seiner Gruppe an einem Netzwerk von Nanotürmen, die wie mikroskopisch kleine Grashalme die nutzbare Oberfläche drastisch erhöhen. Die dreidimensionalen Solarzellen bestehen aus 40.000 Türmchen pro Quadratzentimeter, von denen jedes 100 Mikrometer hoch und 40 Mikrometer breit und tief ist. Sie können deshalb rund 60 % mehr Strom erzeugen als die bislang bekannten Modelle. Allerdings sei der innere Widerstand der Zellen noch sehr hoch.

Juli 2007: Prof. Somenath Mitra und sein Team am New Jersey Institute of Technology (NJIT) entwickeln eine preisgünstige organische Solarzelle, die auf flexiblen Polymer-Kunststoff gestrichen oder gedruckt werden kann. Der Prozeß wird als sehr einfach beschrieben und Mitra mit den Worten zitiert: „Someday homeowners will even be able to print sheets of these solar cells with inexpensive home-based inkjet printers.“ Die am NJIT hergestellten Zellen bestehen aus einem Komplex aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die rund 50.000 mal kleiner sind als ein menschliches Haar. Trotzdem leiten sie elektrischen Strom effizienter als jeder heutige metallische Draht, ihre Leitfähigkeit ist weit höher als die des Kupfers. An diesen Nanoröhrchen wiederum sind sogenannte Buckyballs (Fullerene) angeschlossen, die ebenfalls aus Kohlenstoff hergestellt und für das Einfangen der Lichtphotonen zuständig sind, so daß kleine schlangenförmige Strukturen entstehen.

Sommer 2007: Das Institut für Atomforschung in Dubna bei Moskau führt ein Photoelement mit einem Wirkungsgrad von fast 50 % vor. Die Wissenschaftler taufen ihre Erfindung ‚Sternenbatterie’. Sie liefert ein gutes Beispiel dafür, wie die Effektivität längst bekannter Prozesse mit Hilfe von Nanotechnologie noch signifikant erhöht werden kann. Im vorliegenden Fall funktioniert dies, in dem kleinste Goldpartikel in eine nur 0,5 mm dicke Siliziumfolie eingepreßt werden. Dabei verändern sich die Eigenschaften des Materials derart stark, daß für die Freisetzung eines Elektrons nur zwei, und in Zukunft sogar nur noch ein Lichtphoton erforderlich sein wird, während herkömmliche Photoelemente fünf bis sechs Photonen für die Freisetzung eines Elektrons benötigen. Ein Quadratmeter Solarzelle könnte somit knapp 600 W und künftig sogar bis zu 1 kW Strom erzeugen. Im Unterschied zum herkömmlichen Silizium ist das neue Material auch für einen breiteren Wellenbereich der Sonnenstrahlung empfindlich – er reicht vom Ultraviolett bis hin zum Infrarot.

Nanodraht der Unversität Harvard

Nanodraht
(Harvard University)

Oktober 2007: Mit Analysesystemen der NanoFocus AG aus Oberhausen optimiert das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg seine Forschung an neuartigen Solarzellen. Von der NanoFocus wird gleichzeitig eine neu entwickelte Mess- und Analysesoftware in Betrieb genommen, um größere Mengen von Solarzellen automatisiert überprüfen zu können.

Oktober 2007: Die Arbeitsgruppe von Prof. Charles Lieber an der Harvard University stellt winzig kleine Solarzellen aus Halbleiter-Nanodrähten her, die aus mehreren konzentrischen Siliziumschichten bestehen. Dabei handelt es sich um Modifikationen von chemischen Sensoren, welche von den Wissenschaftlern zum Aufspüren verschiedener Krankheiten entwickelt worden sind.

Die Röhrchen bestehen aus einem p-dotierten Kern, um den ein undotierter und eine n-dotierter Silizium-Mantel gelegt sind (PIN-Dioden). Der Wirkungsgrad von z. Zt. 3,4 % muß für eine kommerzielle Umsetzung jedoch noch erheblich verbessert werden. Auf der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme ist das Ende eines koaxialen Nanodrahtes zu sehen.

Oktober 2007: Das bereits 2004 gegründete Unternehmen Liquidia Technologies im Research Triangle Park von Morrisville, North Carolina, baut auf den Entwicklungen von Prof. Joseph DeSimone und seinen Kollegen an der University of North Carolina-Chapel Hill auf. Nun erhält die Firma im Rahmen des Advanced Technology Program (ATP) eine Förderung von 2 Mio. $ vom National Institute of Standards and Technology (NIST) um ihre spezielle Drucktechnik namens ‚PRINT platform’ weiterzuentwickeln, bei der eine präzise Form des Nanomolding zur Herstellung von Dünnfilm-Solarzellen eingesetzt wird. Bei dieser Technik ist es möglich, exakte Micro- und Nanostrukturen bis zu einer Größe von einem einzelnen Nanometer herzustellen.

Oktober 2007: Peng Jiang und sein Team von der University of Florida stellen eine Art ‚haarige’ Solarzelle vor, die von Mottenaugen inspiriert ist. Da Silizium stark reflektierend ist, so daß eine Menge des Lichts quasi abprallt und verloren geht – und da auch die gegenwärtig verwendeten Anti-Reflexions-Beschichtungen in ihrer Wirksamkeit begrenzt sind und noch weitere Nachteile haben, wollen die Forscher die Tatsache nutzen, daß die Augen von Motten dagegen nur sehr gering reflektieren. Die meisten Mottenaugen bestehen aus benachbarten hexagonalen Sektoren, von denen jeder mit Tausenden von geordneten Reihen winziger Unebenheiten gefüllt ist, die weniger als 300 nm groß sind und die Jiang als ‚Nippel’ bezeichnet. Sie sind in einem Gitter angeordnet, das eine Situation schafft, in der nahezu keine Reflexion mehr existiert – möglicherweise als evolutionäre Verteidigung gegen nächtliche Räuber. Durch den geschickten Nanoaufbau ihrer Augen können die Insekten außerdem selbst bei Nacht das geringe Restlicht effektiv wahrnehmen. An den Forschungen sind auch das Savannah River National Laboratory in South Carolina und das DOE beteiligt.

Mottenaugen-Struktur

Mottenaugen-Struktur

Zur Herstellung des nanotechnologischen Imitats wird das technologisch einfache und kostengünstige Verfahren der Spin-Beschichtung verwendet, bei dem Nanopartikel in einer flüssigen Suspension auf einem Siliziumwafer plaziert werden. Durch das Drehen des Waferes wird eine Kraft erzeugt, welche die Nanopartikel in der Flüssigkeit verteilt. Dazu kommt eine Art Maske, die als Vorlage dient. Um die Nanopartikelstruktur anschließend auf den darunterliegenden Siliziumwafer zu übertragen, wird eine Ätztechnik verwendet. Mit dem Prozeß können Solarpaneele hergestellt werden, die weniger als 2 % des Lichtes reflektieren. Ohne jegliche Antireflexbeschichtung sind es oftmals 35 % bis 40 %. Wie wir weiter unten sehen werden, sind auch noch andere Wissenschaftler auf den Trick mit den Mottenaugen gekommen...

Dezember 2007: Martin Aagesen an der Universität Kopenhagen entdeckt im Zuge seiner Doktorarbeit am Niels Bohr Institut die sogenannten Nanoflocken (nanoflakes), von denen angenommen wird, daß sie bis zu 30 % der Sonnenenergie in Strom umwandeln können. Diese Flocken zeichnen sich durch eine selten perfekte kristalline Struktur aus. Aagesen ist gleichzeitig Chef der SunFlake Inc. in Kopenhagen, welche die Entwicklung der neuen Solarzellen vorantreiben will. Trotz Unterstützung durch die Danish National Advanced Technology Foundation ist auf der Homepage dieses Unternehmens beim Update Ende 2012 nicht viel Neues zu erfahren. Das Wenige hat es aber in sich, deshalb lieber als Originalzitat:

"SunFlakes proprietäre Technologie kombiniert III-V Halbleiter-Nanotechnologie mit Standard-Silizium-Solarzellen zu einerTandem-Solarzelle mit Materialkosten ähnlich denen von kristallinen Silizium-Solarzellen, aber mit dem doppelten Wirkungsgrad. SunFlake hat den bisherigen Weltrekord-Wirkungsgrad bei einzelnen Nanodrähten mehr als verdoppelt und hält jetzt auch den Weltrekord-Wirkungsgrad für jede GaAsP/Si-Kombination. Die Nanostrukturen blden eine idealeGeometrie für den Lichteinfang. Eine Nanodraht-Abdeckung von weniger als 5 Flächenprozent absorbiert mehr als 96 % des einfallenden Lichts, so daß eine mit Nanodraht bedeckte Oberfläche eines der dunkelsten Materialien in der Welt ist."

Nanoflocken

Nanoflocken

Mit einem einzigen Nanodraht gelingt es dem Unternehmen, 10,2 % des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln. Die Theorie besagt, daß ein ganzer Wald von Nanodrähten die doppelte Effizienz erreichen würde. Basierend auf weiteren Forschungen erwarten die Wissenschaftler von SunFlake daher, mittelfristig hocheffiziente Solarzellen mit mehr als 40 % Wirkungsgrad produzieren zu können. Das Unternehmen sucht nun Partner und Investoren in Südostasien. Von Umsetzungen ist bislang nichts bekannt, eine Einführung auf dem Markt noch einige Jahre entfernt.

An der University of Illinois in Urbana-Champaign arbeitet 2007 der libanesisch-stämmige Munir H. Nayfeh an der Weiterentwicklung von Silizium-Nanopartikeln. Gemeinsam mit der Octillion Corp. in Auburn Hills, Michigan, sollen Dünnfilme aus diesen Nanopartikeln auf Glasoberflächen aufgebracht werden, wodurch sich – ohne den Verlust ihrer Transparenz – Fensterflächen zu großflächigen Solarzellen umwandeln lassen. Die Technologie zur Herstellung der NanoPower Windows beruht auf einem innovativen Prozeß, der Elektrochemie und Ultraschall verbindet, und bei dem identische 1 – 4 nm kleine Nanopartikel entstehen, die auf das Trägermaterial aufgesprüht werden können und ein breites Band von Wellenlängen bis zum Ultraviolett nutzen. Die sogenannten nanosilicon photovoltaic solar cells sollen einen Wirkungsgrad von 50 - 60 % erreichen.

Anfang Januar 2008 meldet die Internet-Presse, daß unabhängige Untersuchungen nachgewiesen haben, daß die Silizium-Nanopartikel, mit denen die NanoPower Windows von Octillion hergestellt werden, ebenso dazu genutzt werden können, die Leistung konventioneller Solarzellen im sichtbaren Bereich um bis zu 10 %, und im ultravioletten Bereich sogar um bis zu 70 % zu verbessern. Anfang 2009 ändert die Octillion ihren Namen in New Energy Technologies Inc. – auf deren Homepage es 2013 heißt, daß ihr nun SolarWindow genanntes Produkt noch in der Entwicklung sei (siehe hierzu auch unter: Solarzellen-Spray).

Januar 2008: Wissenschaftler um Prof. Jin Zhang von der University of California in Santa Cruz demonstrieren, das geordnete Reihen von Nanoröhrchen, die sie auf einem Silizium-Wafer wachsen lassen, ein hocheffizientes thermoelektrisches Verhalten zeigen. Damit lassen sich sowohl preisgünstige thermoelektrische Systeme zur Nutzung von Abwärme entwickeln, als auch neue Materialien für Solarzellen. Dabei werden zwei Techniken kombiniert: die Dünnfilm-Technologie mit metallischen Nanopartikeln wie Titaniumdioxid, die mit Substanzen wie Stickstoff angereichert sind, und die stark lichtabsorbierende Quantendotierung. Bei den anschließenden Tests erweist sich, daß die erzielte Leistung die Erwartungen noch übertrifft - weil beide Techniken durch ihre Synergie ein höheres Ergebnis erreichten, als es die rechnerisch ermittelte Summe der beiden einzelnen Komponenten ausmacht.

Januar 2008: Dr. Loucas Tsakalakos und sein Nano Photovoltaics (PV) Team bei GE Global Research, der zentralen Forschungsorganisation der General Electric Company (GE), zeigen eine Dünnschicht-Solarzelle, die auf Nanodrähtchen basiert und das Potential für einen Wirkungsgrad in Höhe von 18 % hat. Die Arbeit, in Kooperation mit Wissenschaftlern von GE Energy-Solar Technologies und dem U.S. Department of Energy (DOE), erfolgt im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojektes, für das GE 46,7 Mio. $ bereitgestellt hat, und bei dem die komplette Wertschöpfungskette optimiert werden soll um preisgünstigere Solarmodule auf den Markt bringen zu können.

Januar 2008: Patrick Pinhero von der University of Missouri berichtet gemeinsam mit Steven Novack vom Idaho National Laboratory (INL) sowie der Firma Microcontinuum Inc. aus Cambridge, Massachusetts, von der Entwicklung einer neuen Solarzelle, die auch dann noch Strom abgibt, wenn die Sonne längst untergegangen ist. Bei dieser Methode werden winzige, quadratische Spiralen aus leitfähigem Material auf einen Kunststoff gestempelt, die als Nano-Antennen bezeichnet werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß die einzelne Nano-Antenne, deren Durchmesser etwa 1/25 eines menschlichen Haares beträgt, nahezu 80 % der vorhandenen Energie in Strom umwandeln kann, darunter auch die Infrarotstrahlung. Daher funktioniert die Zelle auch in der Dunkelheit, solange nur irgendwo Wärmestrahlung abgegeben wird.

Bevor diese Zellen auf den Markt kommen können, gibt es jedoch noch ein wesentliches Problem zu lösen: Die Stromfrequenz innerhalb der Strukturen springt pro Sekunde rund 10.000 Milliarden mal hin und her, während die elektrotechnischen Systeme, die den Strom weiterleiten, speichern oder nutzen sollen, im Allgemeinen mit einer Frequenz von 60 Hz funktionieren (also nur 60 mal pro Sekunde oszillieren). Das Team hat bereits ein Patent für eine Methode eingereicht, wie man die extrem hohe Frequenz der Zellen umwandeln kann - und man rechnet damit, schon in wenigen Jahren ein funktionierendes Solarpanel vorstellen zu können. Mehr darüber unter Infrarot-Solarzellen.

Januar 2008: In Cambridge, Massachusetts, wird das Startup Lightwave Power Inc. gegründet, um neuartige Solarenergie-Produkte auf der Grundlage von Nanoarrays sowie zweidimensionaler plasmonischer und photonischer Kristallgitter zu entwickeln. Die ‚Technologie-Roadmap’ der Firma umfaßt großflächige, sehr dünne und sich wiederholende Strukturen in Mikro- und Nano-Größe, die in der Lage sind, Licht zu absorbieren, zu konvertieren, zu leiten und wieder abzugeben. Diese Strukturen sollen aus unedlen Metallen und Dielektrika gestaltet und auf flexiblen Substraten mit einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu niedrigen Herstellungskosten produziert werden. Lightwave reicht das erste Solarenergie-Patent im März 2008 ein, und im Dezember wird der erfolgreiche Abschluß einer Finanzierungsrunde A mit dem Lead Investor Quercus Trust und 21Ventures als Ko-Investor bekannt gegeben – bei der über 13 Mio. $ eingenommen werden. Das Unternehmen arbeitet mit der Iowa State University und der Firma MicroContinuum Inc. zusammen. Im Juli 2009 erhält Lightwave 450.000 $ vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) als Teil der Photovoltaic Technology Incubator Programms, bei dem die Herstellungskosten von Solarzellen auf weniger als 1 $/W gesenkt werden sollen. Danach hört man nichts mehr von der Firma.

Ebenfalls im Januar 2008 wird in Woburn, Massachusetts, die Firma Magnolia Solar Inc. gegründet, um eine auf Nanotechnologie basierende Dünnschicht-Technologie zu kommerzialisieren, die auf Glas und anderen flexiblen Strukturen abgeschieden werden kann. Die Nano/Makro-Materialien des Unternehmens sollen nicht nur sichtbares Licht, sondern auch UV- und Infrarotstrahlung absorbieren, indem Quanteneffekte in Nanostrukturen für eine höhere Effizienz sorgen. Im März 2010 erhält Magnolia 1 Mio. $ von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), um in Partnerschaft mit der University at Albany an modernsten Dünnschicht-Solarzellen aus ungiftigen Materialien einschließlich Nanodiamanten zu arbeiten. Zum Einsatz kommen dabei Quantenpunkte (nanoskalige Kristalle) und Quantentöpfe, die wie eine Blumepresse funktionieren und Teilchen dazu zwingen, sich in einer Ebene statt in einem dreidimensionalen Raum zu bewegen. Das Ergebnis sind hohe Dichte-Zustände und das Potential für eine höhere Effizienz.

Magnolia Nanostruktur

Magnolia Nanostruktur

Die Firma gibt im Mai 2010 bekannt, als Teil des Kopin Corporation Teams, einen führenden Innovator im Bereich von Nanohalbleiter-Materialien und Geräten, von der NASA ausgewählt worden zu sein, um eine Indium-Nitrid (InN)-basierte Quantenpunkt-Solarzellen-Technologie zu entwickeln. Dabei wird Magnolia Solar mit Prof. Fred Schubert und seinem Team am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) zusammenarbeiten, um fortschrittliche nanostrukturierte Beschichtungen zu fertigen. Im Juni folgt ein Entwicklungsvertrag mit der US Air Force. Die (zumindest einmal) in vorbildlicher Weise Online veröffentlichte Jahresabrechnung weist für 2010 einen Umsatz von 686.568 $ und einen Gewinn von 221.136 $ aus.

Magnolia Solar wird im April 2011 Partner des U.S. Photovoltaic Manufacturing Consortium (PVMC), einer neuen Initiative der University at Albany, die durch einem Zuschuß des DOE in Höhe von 57,5 Mio. $ gefördert wird und über 80 Unternehmen, Universitäten und High-Tech-Labors umfaßt. Im August stellt das Unternehmen Hochspannungs-Quantentopf-Wellenleiter-Solarzellen aus InGaAs vor, und im November erhält Magnolia einen zweijährigen Entwicklungsvertrag der Air Force, in dessen Rahmen 750.000 $ fließen, um flexibele, leichte und ultra-hocheffiziente Multi-Junction-Solarzellen für die Raumfahrt zu entwickeln. Im Laufe des Jahres 2012 werden erstmals Zahlen genannt: Man habe Wirkungsgrade von 15 % bis 20 % erreicht – bei Kosten von 0,5 $/W. Magnolia plant, eine 100 kW-Prototyping-Anlage des Solar Energy Development Center in Halfmoon, New York, zu nutzen, um die notwendigen Herstellungsprozesse zu entwickeln und zu testen.

Februar 2008: Carl Hägglund legt an der schwedischen Chalmers University of Technology seine Dissertation vor, in der er sich mit der Verwendung von Nanopartikeln aus Edelmetall beschäftigt, um die Absorption bei Solarzellen zu erhöhen. Die Partikel besitzen besondere optische Eigenschaften aufgrund der Tatsache, daß ihre Elektronen zusammen hin und her oszillieren, und zwar mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Frequenz des Lichts, d.h. der Lichtfarbe. Die Nanopartikel fangen das Licht wie winzige Antennen ein, und über die Schwingungen wird die Energie als Strom weitergeleitet. Diese Schwingungen (Plasmonen) sind bei bestimmten Resonanzfrequenzen sehr kraftvoll, die durch Form, Größe und Umgebung der Teilchen beeinflußt werden.

Hägglund untersucht im Rahmen eines materialwissenschaftlichen Forschungsprogramms (PhotoNano), das von der schwedischen Stiftung für strategische Forschung finanziert wird, die Wirkung von Nanopartikeln aus Edelmetall auf zwei unterschiedliche Arten von Solarzellen. Bei der einen Art wird das Licht in Molekülen auf der Oberfläche, bei der anderen dagegen tief im Material absorbiert. Die Ergebnisse zeigen, daß die Partikel auf verschiedene Wegen helfen können, Lichtenergie in nützlichen Strom zu übertragen – und daß es mit unterschiedlichen Mechanismen möglich ist, die Absorption sowohl auf der Oberfläche als auch tief im Inneren zu verstärken.

Februar 2008: Ein Forscherteam um Prof. Ray LaPierre an der McMaster University meldet, daß ihnen auf Basis einer Webefläche aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Zucht von lichtabsorbierenden Nanodrähten aus leistungsfähigen photovoltaischen Materialien wie Galliumarsenid, Indium-Gallium-Phosphid usw. gelungen sei. Jeder Nanodraht ist 10 - 100 Nanometer breit und bis zu fünf Mikrometer lang. Ziel ist es nun, innerhalb von drei Jahren flexible, kostengünstige Solarzellen aus III-V-Nanodrähten mit einem Wirkungsgrad von 20 % zu produzieren. Langfristig sind theoretisch bis zu 40 % möglich. Die Regierung von Ontario unterstützt das Projekt gemeinsam mit dem privaten Forschungspartner Cleanfield Energy aus Toronto mit rund 600.000 $.

Februar 2008: Das drei Jahre zuvor gegründete Unternehmen Bloo Solar Inc. (anfangs: Q1 NanoSystems) aus West Sacramento erhält von der National Science Foundation einen Zuschuß in Höhe von 100.000 $, um die Entwicklung seiner Solar Brush Technologie voranzutreiben (später auch: nanorod technology). Dabei handelt es sich um eine ultra-Dünnschicht, die Bürste genannt wird, weil sie aus Milliarden von vertikal gewachsenen Nanoborsten besteht (aus CdTe, andere Materialien seien aber ebenso anwendbar). Durch die von der University of California in Davis lizenzierte Technologie erhöht sich die gesamte PV-aktive Fläche um das 700-fache gegenüber anderen Dünnschicht-Produkten - wodurch sich der Zellenoutput um das anderthalb- bis dreifache erhöhen lassen soll.

Solar Brush

Solar Brush

Das Unternehmen, das sich zu Beginn mit Anleihen in Höhe von 800.000 $ finanziert hat, wird ab 2007 von dem Investor Acadia Woods Partners LLC gefördert, zuerst mit 2,5 Mio. $, und im Juni 2010 mit weiteren 2 Mio. $. Nun hofft Bloo Solar, mit seiner Technologie der dritten Generation bis Ende 2012 die Produktreife zu erreichen, um dann in Kalifornien ein erstes Werk mit einer Jahresproduktivität von bis zu 30 MW zu errichten. Im Januar 2010 wird die Firma SVTC Technologies LLC, ein Anbieter von Halbleiter-Dienstleistungen, als Entwicklungs- und Vermarktungspartner ausgesucht, um Bloo Solar Zugang zu einem talentierten Engineering-Team und Weltklasse-Einrichtungen zu verschaffen. SVTC ist auf die Verwaltung der gesamten Wertschöpfungskette spezialisiert – von der Idee bis zur Vermarktung eines neuen Produktes. Im Juni 2011 kommen von Acadia und anderen Investoren in einer Finanzierungsrunde A-2 weitere 8 Mio. $ in die Kasse, und im Oktober erfolgt der Umzug an einen neuen Standort im El Dorado Hills Business Park. Die jüngste Meldung stammt vom Oktober 2012 und besagt, daß Bloo Solar noch einmal 3 Mio. $ Investitionsmittel bekommen hat.

Vorweisen kann das Unternehmen bislang allerdings erst einen Prototyp in Form eines 8-Zoll-Wafers, auf dem pro Quadratzentimeter 3,8 Millionen vertikal angeordnete Nanostäbe sitzen, jeder etwa in der Größe eines roten Blutkörperchens. Sie bilden im Grunde einen winzigen Wald von gleichmäßig verteilten Solarzellen, welche die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln.

Mai 2008: Elektrotechniker um Clint Novotny an der University of California, San Diego, stellen eine experimentelle Solarzelle aus Indium-Phosphid (InP)-Nanodrähten vor, die in der Zukunft zu hocheffizienten Dünnschicht-Solarzellen führen könnten. Die Nanodrähte fungieren dabei als Elektronen-Autobahnen, auf welchen die durch Photonen freigesetzten Elektronen direkt der Elektrode zugeführt werden. Die neue Konstruktion steigert auch die Anzahl der Elektronen, die es von der lichtabsorbierenden Polymerschicht bis zur Elektrode schaffen. Hierfür entwickeln die Ingenieure einen Weg, um Nanodrähte direkt auf der Metallelektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) wachsen zu lassen. Anschließend wird die Nanodraht-Elektroden-Plattform mit dem organischen Polymer P3HT (Poly 3-Hexylthiophen) bedeckt. Laut eigener Aussage sei die Gruppe damit die erste, der die Aufzucht von Nanodrähten direkt auf Metall-Elektroden gelingt, ohne dabei speziell präparierte Substrate wie Gold-Nanodrops einsetzen zu müssen. Als Elektrodenmaterial soll sich auch Aluminium eignen. Bis zum Markteintritt wird den Forschen zufolge allerdings noch mindestens ein Jahrzehnt vergehen. Warum eigentlich, nur aus Gründen der Arbeitsplatzsicherung?!

Mai 2008: Eine Gruppe von australischen und chinesischen Forscher um Prof. Max Lu von der University of Queensland meldet, daß sie dem „heiligen Gral der kostengünstigen Solarenergie“ einen Schritt näher gekommen seien. Bei der bahnbrechenden Entdeckung, welche die Sonnenenergie revolutionieren könnte, handelt es sich um die weltweit ersten Titanoxid-Einkristalle mit großen Mengen reaktiver Oberflächen, etwas, das bislang als so gut wie unmöglich galt. Nano-Kristalle aus Titandioxid bilden vielversprechende Materialien nicht nur für kostengünstige Solarzellen, sondern auch für die Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserspaltung durch Sonnenenergie sowie für die Dekontamination von Schadstoffen. (Siehe dazu auch unter Photokatalyse). Die Herstellungsmethode sei außerdem einfach und billig.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer fruchtbaren und langfristigen internationalen Zusammenarbeit mit einer Gruppe von der chinesischen Akademie der Wissenschaften um Prof. Huiming Cheng. Das Team schätzt, daß etwa fünf Jahre vergehen werden, bis Anwendungen gegen die Wasser- und Luftverschmutzung im Handel erhältlich sind, und etwa 5 bis 10 Jahre, bis solche Kristalle bei der solaren Energieumwandlung Verwendung finden.

Juli 2008: Prof. Darren Bagnall und seine Nano-Gruppe an der Universität von Southampton arbeiten an biomimetischen optischen Strukturen, welche die Nanostrukturen der Natur kopieren, um effiziente Solarzellen zu entwickeln, die auf billigen flexiblen Substrate mit nanoskaligen Eigenschaften beruhen, die Licht einfangen. Eine Art von Struktur basiert auf einer reflexionsvermindernden Technik, wie sie Mottenaugen besitzen, andere basieren auf metallischen Nanopartikeln, die Plasmonen-Strukturen ausbilden.

Juli 2008: Wissenschaftler um Prof. Wolfgang Schade von der TU Clausthal arbeiten am Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Bremen und Bonn sowie den Industriepartnern Grillo (Zinkoxid) und HC Starck (Polymere) daran, aus einer Materialkombination aus Zinkoxid-Nanodrähten, die zum Teil mit Licht absorbierenden Polymeren beschichtet sind, neue Solarzellen zu entwickeln. Der besondere Vorteil der verwendeten Werkstoffe ist, daß sie einfach zu beschaffen sind. An dem Projekt ‚NanoSol – Zinkoxid-Nanodraht-basierte Weißlichtquellen und Solarzellen’, das vom Bundeswirtschaftsministerium mit 1,25 Mio. € unterstützt wird, sind auch die Industriepartner Solvis Solar sowie Splitter Lichttechnik (spätere Marktumsetzung) sowie Europtec und Protronic beteiligt. Bei ersten einfachen Versuchen ist bereits eine lichtinduzierte Spannung von bis zu 0,1 V zu beobachten.

September 2008: Die Produktion von Kunststoffsolarzellen aus organischen Polymeren ist zwar mit geringem Energieaufwand verbunden, dafür liegt der Wirkungsgrad derzeit bei nur rund 5 %. Diesen zu steigern ist das Ziel des Projekts ‚Hybridsolarzellen aus halbleitenden Polymeren und Silicium-Nanowirestrukturen’ (HyPoSolar), das jüngst am Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena unter der Leitung von Fritz Falk gestartet ist. Die Idee, Polymere mit Silizium-Nanodrähten zu kombinieren, sei vollkommen neu. Der Einsatz der Nanodrähte vergrößert die Oberfläche der Solarzelle im Vergleich mit ebenen Substraten um ein Hundertfaches, wobei die nur 1/300 mm dicken Nanodraht-Teppiche als ideale Lichtfallen wirken. Die Wissenschaftler hoffen, mit ihren Hybrid-Solarzellen, die zuerst auf Glas und später auf Metallfolien erstellt werden sollen, um auch gekrümmte Oberflächen im Fahrzeugbereich damit ausstatten zu können, schon in einer ersten Entwicklungsphase auf einen Wirkungsgrad von etwa 8 % zu kommen.

Das Projekt wird im Rahmen der BMBF Ausschreibung ‚Organische Photovoltaik’ mit insgesamt rund 1,5 Mio. € gefördert, Partner sind das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung in Rudolstadt, das Institut für Angewandte Physik der Uni Jena sowie die Firma Jenpolymer Materials Ltd. Im März 2009 startet das vom IPHT koordinierte europäische dreijährige Projekt ROD SOL, bei dem 10 Partner mit einem Budget von 4 Mio. € Technologien für die Herstellung kostengünstiger und hocheffizienter Solarzellen auf der Basis von Silizium-Nanostäbchen entwickelt, die auf Glassubstraten oder Metallfolien abgeschieden werden.

Tatsächlich stellen die Wissenschaftler des IPHT zusammen mit Forschern des Max-Planck Instituts für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen Mitte 2011 ein neues, sehr einfaches, effektives und kostengünstiges Herstellungskonzept für Nanodrähte vor. Dabei werden diese durch einfache ‚Chemie im Becherglas’ auf einer Siliziumscheibe erzeugt. Mit Hilfe von Industriepartnern soll das Konzept nun in einen industriellen Herstellungsprozeß übertragen werden.

September 2008: An der Steigerung der Effizienz von Dünnschicht-Solarzellen als flexible, großflächige und kostengünstige Stromquellen arbeitet auch Seshu Desu mit seinem Forschungsteam an der Binghamton University. Durch ein neuartiges Design und die Umstrukturierung der Zelle selbst soll außerdem ein integriertes System geschaffen werden, das Strom erzeugen und diesen gleichzeitig effizient und zu geringeren Kosten speichern kann. Die Umsetzung soll auf Nanotechnologie basieren, da bei strukturierten Materialien wie Nanopartikeln die Anzahl der Oberflächen gewaltig zunimmt, was wiederum die Kapazität erhöht, mit der Umgebung zu interagieren, ohne die Fläche der Grundeinheit steigern zu müssen. Außerdem zeigen die Materialien noch andere unerwartete und oft vorteilhafte Eigenschaften, wenn ihre Größe auf die Nano-Ebene reduziert wird.

Für eine effiziente Energiespeicherung arbeitet das Team an Superkondensatoren mit signifikant hohen Energie- und Leistungsdichten sowie mit extrem langen Zyklus-Lebenszeiten, bei denen ebenfalls die Vorteile der Nanostrukturierung sowie Dünnschicht-Nanokompositmaterialien zum Tragen kommen. Außerdem werden anorganische und organische Festkörper-Elektrolyten wie Gele oder Membranen entwickelt, um hohe Energiedichten zu erzielen und eine Selbstentladung zu verhindern. Ziel sind integrierte Solarzellen/Superkondensator-Strukturen als autonome Stromquellen.

Dezember 2008: Ein Team von Forschern der Shanghai Jiao Tong University, des University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute und der japanischen Saga University um Zhang Di nutzen die vor einigen Jahren gemachte Entdeckung, daß Schmetterlingsflügel aus mikroskopisch kleinen Strukturen bestehen, die Sonnenlicht absorbieren und die Wärme ableiten. Mit Hilfe eines Elektronenmikroskops können die Wissenschaftler feststellen, daß Schmetterlingsflügel ein einzigartiges Muster aus geordneten Graten und Rippen besitzen, die aus Nanopartikeln bestehen.

Details von Schmetterlingsflügeln

Details von Schmetterlingsflügeln

Um nachzuweisen, daß diese Strukturen auch effiziente Solarzellen abgeben können, wandeln sie die Flügel von zwei verschiedenen Schmetterlingen mit Hilfe chemischer Prozesse in lichtabsorbierende Strukturen aus Titandioxid um, die sie anschließend als Photoanode in eine Grätzel-Zelle integrierten. Die Messungen ergeben, daß die Effizienz einer Zelle mit der neuen Nanopartikel-Photoanode höher ist, als die von anderen Grätzel-Zellen, wofür die bienenwabenartigen Mikrostrukturen verantwortlich sind, die nur sehr wenig Licht reflektieren (s.a. April 2012).

Dezember 2008: Untersuchungen von Kylie Catchpole und Albert Polman am FOM Institut für Atom- und Molekülphysik (AMOLF) in den Niederlanden belegen, daß Solarzellen mit nanoskopischen Metallpartikeln die Erfassung von langwelligem, rötlichem Licht um das Zehnfache steigern können. Der Schlüssel zu dieser Technologie ist die Schaffung einer winzigen elektrischen Störung, die als Oberflächen-Plasmon bezeichnet wird. Wenn Licht auf ein Stück Metall trifft, kann es in der Oberfläche des Metalls Elektronenwellen entstehen lassen, die sich wie Wellen auf der Oberfläche eines Teiches bewegen. Hat das Metall nun die Form eines winzigen Teilchens, kann das einfallende Licht das Teilchen zum vibrieren bringen, was das Licht effektiv streut. Bei bestimmten ‚resonanten’ Farben des Lichts ist diese Streuung besonders stark.

In ihrem Bericht beschreiben die Forscher, was passiert, wenn eine dünne Schicht von Nanopartikeln auf einer Solarzelle plaziert wird. Zunächst wird das einfallende Sonnenlicht besser gestreut, wodurch mehr davon im Inneren der Solarzelle bleibt. Außerdem ist es möglich, durch Variieren der Größe und des Materials der Partikel den Eintrag von sonst schlecht absorbierten Lichtfarben zu steigern. Besonders das Einfangen von langwelligem (rötlichen) Licht kann um einen Faktor von mehr als zehn verbessert werden. Bis zu einer Umsetzung der Erkenntnisse in die Praxis werden dem niederländischen Team zufolge noch rund drei Jahre vergehen.

Februar 2009: Ebenfalls am AMOLF-Institut in Eindhoven arbeitet Jaime Gomez Rivas zusammen mit Kollegen an einer Antireflex-Schicht nach dem Vorbild der Mottenaugen. Die Untersuchungen hatten ergeben, daß deren Strukturen zu einer dominanten Lichtaufnahme führen, weil der Brechungsindex für sichtbares Licht in einer Schichtstruktur nach und nach zunimmt und sich mehr als verdreifacht, bevor die Lichtstrahlen auf den Sehnerv fallen. Kaum ein Lichtteilchen wird dabei ungenutzt reflektiert. Den gleichen Effekt erzielen die Forscher mit einer Schichtstruktur aus Galliumphosphid-Nanostäbchen. Indem diese Stäbchen nach und nach länger werden, verändert sich auch der Brechnungsindex kontinuierlich. Dadurch kann die Reflexion deutlich gesenkt und Licht verschiedener Wellenlängen und Einfallswinkel effektiv eingefangen werden. Nun soll eine einfache Beschichtungsmethode entwickelt, und die kontrolliert gezüchteten Nanostäbchen sukzessive länger und dicker gemacht werden. Rivas hält es für möglich, Schichten zu entwickeln, die 99 % des einfallenden Lichts aufnehmen können (was allerdings nicht dem Wirkungsgrad entspricht).

März 2009: Forscher um Xinjian Zhou an den Sandia National Laboratories im kalifornischen Livermore gelingt es erstmals, Komponenten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu schaffen, die für Licht des gesamten sichtbaren Spektrums empfindlich sind. Bisherige Nanoröhrchen waren auf Licht spezifischer Wellenlängen spezialisiert, darunter auch ultraviolettes Licht. Das gesamte sichtbare Spektrum wurde zuvor noch nie abgedeckt.

Die neuen Lichtsensoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen arbeiten ähnlich wie biologische Augen. Auf ihnen sitzen drei Arten von Chromophoren – Moleküle, die ihre Form in Reaktion auf bestimmte Lichtwellenlängen verändern. Diese Formveränderung sorgt für eine Ausrichtungsänderung innerhalb des Nanoröhrchens, was wiederum dessen Leitfähigkeit beeinflußt. Die Sandia-Forscher haben drei Arten von Chromophoren entwickelt, die entweder auf die roten, grünen oder blauen Bereiche des sichtbaren Lichtspektrums reagieren. Die Nanoröhrchen könnten eines Tages zahlreiche Anwendungsbereiche finden – insbesondere bei Solarzellen, die mehr Licht absorbieren.

März 2009: Ein Team japanischer Nanotechnologen des Research Center for Advanced Carbon Materials und des National Metrology Institute of Japan in Ibaraki sowie der Nagoya University in Nagoya stellen etwas her, das sie als das „schwärzeste Material im Universum“ bezeichnen: Ein Blatt aus Kohlenstoff-Nanoröhren, das fast jeden Photon jeder Wellenlänge des Lichts einfängt (0,2 - 200 μm). Die Substanz absorbiert zwischen 97 % und 99 % der Wellenlängen, sowohl direkt gemessen als auch extrapoliert, und kommt damit einem sogenannten Schwarzkörper sehr nahe, einem idealisierten Körper der theoretischen Physik, der auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge vollkommen absorbiert.

Das neue Material wird aus einer flachen Anordnung von vertikal ausgerichteten, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt (single-walled carbon nanotubes, SWNT). Photonen, die nicht unmittelbar von einem der Nanoröhrchen absorbiert werden, werden abgelenkt ... und von den Nachbarn absorbiert. Diese Interaktion wiederholt sich so lange, bis das abgeschwächte Licht vollständig durch den Wald aus Nanoröhren aufgenommen ist. Im Vergleich dazu nehmen die schwärzesten Farben und Lacke nur zwischen 84 % und 95 % allen Lichts auf. In Form von Solarzellen könnte das Material im kalten Vakuum des Weltraums auch Wärme sammeln. [Anm.: Für eine Farbe, die noch dunkler ist als Schwarz, hatte Gene Wolfe in seinem 1980 erschienenen Roman The Shadow of the Torturer die Bezeichnung fuligin erfunden.]

April 2009: Prof. Zhong Lin Wang von der Georgia Tech University entwickelt gemeinsam mit Prof. Xudong Wang von der University of Wisconsin-Madison einen hybriden Nanogenerator, der neben Vibrationen auch Sonnenlicht aufnehmen und in Strom umwandeln kann. Nanogeneratoren verwenden oftmals piezoelektrische Nanodrähte – haarähnliche Zinkoxid-Strukturen, die ein elektrisches Potential generieren, wenn sie mechanisch belastet werden. Als Energiequelle können Umgebungsvibrationen, Strömung und sogar biologische Bewegung genutzt werden.

Hybrider Nanogenerator

Hybrider Nanogenerator

Der neue Hybrid-Generator verbindet einen mechanischen Nanogenerator (auf dem Foto unten) mit einer Farbstoff-Solarzelle (oben), wobei beide Elemente auf Zinkoxid-Nanodrähten in einem geschichteten Siliziumsubstrat beruhen. Die Deckschicht besteht aus einer Dünnfilm-Solarzelle, in die mit Farbstoff beschichtete Zinkoxid-Nanodrähte eingebettet sind, wobei die große Oberfläche der Nanodrähte die Lichtabsorption des Geräts steigert. Die untere Schicht enthält den mechanischen Nanogenerator. Auf der Unterseite des Siliziums gibt es ein verzweigtes Gitter von Polymer-beschichteten Zinkoxid-Nanodrähten in einer zahnartigen Anordnung. Wird die Vorrichtung nun einer Vibration ausgesetzt, kratzen diese ‚Zähne’ an einer darunter liegenden Anordnung von vertikal ausgerichteten Zinkoxid-Nanodrähten, was ein elektrischen Potential schafft.

Die Solarzelle und der Nanogenerator sind elektrisch durch das Siliziumsubstrat selbst verbunden, das als Anode der Solarzelle und gleichzeitig als Kathode des Nanogenerators fungiert. Dadurch wird es auch möglich, große Gruppen von Solarzellen und Nanogeneratoren in einem einzigen System zu integrieren, was weniger Platz benötigt und auch energieeffizienter ist. Ein erster Prototyp mit nur einem Nanogenerator erzeugt bereits 0,6 V Solarstrom und 10 Millivolt piezoelektrisch produzierten Strom.

Mai 2009: Prof. Falk Lederer und Dr. Carsten Rockstuhl vom Institute for Condensed Matter Theory and Solid State Optics (das keinen deutschen Namen hat!) der Friedrich-Schiller-Universität in Jena melden, daß metallische Nanoscheiben (nanodiscs), die auf der Oberfläche einer Dünnfilm-Solarzelle verteilt werden, die Absorption in der Zelle erhöhen und ihre Effizienz um bis zu 50 % steigern können, indem sie die Plasmonen-Resonanzen aufrecht erhalten. In einer Simulation werden verschiedene Szenarien untersucht und analysiert, wie sich die metallischen Nanopartikel auf der Oberfläche verteilen lassen. Die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützten Wissenschaftler schlagen vor, die Absorptionsspektren der verwendeten Nanoscheiben an die Absorptionsgrenzen der verwendeten Silizium-Solarzellen anzupassen. Anstelle der Verwendung von zufällig verteilten Nanopartikeln verschiedener Größen kann die exakte Bestimmung der Größe und Verteilung die Absorption in der Solarzelle auf das Maximum erhöhen. Experimentell ist das Konzept bislang noch nicht getestet worden.

Juni 2009: Prof. Dmitri Talapin und sein Team von Forschern der University of Chicago und des Lawrence Berkeley National Laboratory entwickeln einen ‚elektronischen Klebstoff’ für Halbleiter-Nanokristalle, damit diese ihre elektrischen Ladungen effizient übertragen können. Durch die Substitution der bislang genutzten und isolierenden organischen Moleküle mit neuartigen anorganischen Molekülen erhöht sich die elektronische Kopplung zwischen den Nanokristallen drastisch. Die University of Chicago lizenziert die zugrunde liegende Technologie für thermoelektrische Anwendungen an die Firma Evident Technologies in Troy, New York (s.u.).

Juli 2009: Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory um Ali Javey stellen ein Konzept vor, bei dem eine Anordnung aus 500 Nanometer hohen, gleichmäßig verteilten Nanosäulen aus Cadmiumsulid, die in einen dünnen Cadmiumtellurid-Film eingebettet und auf einer Aluminiumfolie aufgebracht sind, Sonnenlicht in Strom umwandelt. Eingeschlossen in ein elastisches Polymer sollen daraus Solarzellen werden, die für ein Zehntel der Kosten herkömmlicher Siliziumzellen produziert werden könnten. Im Unterschied zu anderen Konzepten mit Nanosäulen sei der Wirkungsgrad mit 6 % etwa dreimal höher. Zudem finden die Wissenschaftler ein billigeres Verfahren, um die Nanosäulen (nanopillars) wachsen zu lassen.

Strukturierte Nanosäulen

Strukturierte Nanosäulen

Im November 2010 meldet das Javey-Team, daß es inzwischen mit einer neuartigen Struktur der Nanosäulen arbeitet, bei der eine kleine Spitze mit einem Durchmesser von 60 Nanometern und minimaler Reflexion, um den Lichteinfall zu steigern, auf einer größeren Basis mit 130 Nanometern Durchmesser und maximaler Absorption sitzt, um mehr Licht in Strom umzuwandeln. Mit dieser Dual-Struktur wird eine Absorbtionsrate von 99 % des einfallenden sichtbaren Lichts erreicht – im Vergleich zu den 85 % der früheren Nanosäulen, die den gleichen Durchmesser über ihre gesamte Länge hatten.

August 2009: An der Missouri University of Science and Technology arbeiten Dr. Jay A. Switzer und seine Kollegen daran, mikroskopisch kleine und genau ausgerichtete lanzenförmige Zinkoxid-Kristalle auf einer Fläche von Einkristall-Silizium wachsen zu lassen. Mit dem entwickelten einfachen und kostengünstigen Verfahren sollen effizientere Solarzellen sowie neue Materialien für UV-Laser, Festkörper-Leuchtmittel und piezoelektrische Bauelemente hergestellt werden. Ähnlich wie Kandiszucker-Kristalle, die auf einer Schnur wachsen, die in einer Zuckerlösung hängt, entstehen die Nano-Speere (nanospears) in einem Becherglas mit einer alkalischen Lösung, die mit Zink-Ionen gesättigt ist. Das Verfahren liefert gekippte, Speer-förmige Einkristall-Stangen von etwa 100 bis 200 Nanometer Durchmesser und etwa 1 Mikrometer in der Länge, die wie winzige Stacheln aus der Silizium-Oberfläche herauswachsen.

Frühere Bemühungen, Zinkoxid auf Silizium wachsen zu lassen, waren auf teure Methoden mit ultrahohem Vakuum beschränkt. Wegen der hohen Reaktivität des Siliziums war es außerdem unmöglich, Zinkoxid ohne die Verwendung eines dritten Materials als Puffer direkt darauf abzulagern. Auch die Versuche, die beiden Materialien epitaktisch auszurichten – oder perfekt eines auf der Oberseite des anderen – waren bisher erfolglos. Durch das Kippen der Nanospeere um 51° erreicht das Switzer-Team nun eine nahezu perfekte Ausrichtung, die sich auf über 99,8 % des Materials erstreckt. Die epitaktische Ausrichtung des Zinkoxids und Siliziums ist wichtig, um höhere Effizienzen zu erreichen. Die Arbeiten werden durch einen Zuschuß aus dem DOE in Höhe von 700.000 $ unterstützt.

September 2009: Forscher der Cornell University um die Professoren Paul McEuen und Jiwoong Park stellen eine einfache Solarzelle aus einem einzigen, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen vor, das ursprünglich als Photodiode entwickelt wurde. Das Nanoröhrchen von der Größe eines DNA-Moleküls wird dabei zwischen zwei elektrischen Kontakten verdrahtet und in der Nähe von zwei elektrischen Weichen, einer negativ und einer positiv geladenen, plaziert. Strahlen nun Laser unterschiedlicher Farben auf verschiedene Bereiche des Nanoröhrchens, dann wirken Photonen hoher Energie multiplizierend auf die Menge des produzierten Stromes – im Gegensatz zu den marktüblichen Zellen, die sich erhitzen wenn sie von hochenergetischen Photonen getroffen werden.

Nanoröhrchen-Effekt Grafik

Nanoröhrchen-Effekt
(Grafik)

Weitere Studien zeigen, daß die schmale, zylindrische Struktur der Kohlenstoffnanoröhre die Elektronen dazu veranlaßt, sich säuberlich eines nach dem anderen hindurch zu drücken. Dabei regen die sich durch die Nanoröhre bewegenden Elektronen neue Elektronen an, die den Stromfluß fortsetzen. Die Nanoröhrchen können daher eine nahezu ideale photovoltaische Zelle bilden, weil sie es Elektronen erlauben, durch die Nutzung der überschüssigen Energie aus dem Licht weitere Elektronen zu schaffen. Unterstützt werden diese Forschungen von dem Center for Nanoscale Systems der Universität, der Cornell Nanoscale Science and Technology Facility sowie der Microelectronics Advanced Research Corp., Partner sind Zhaohui Zhong von der University of Michigan und Ken Bosnick von der University of Alberta.

September 2009: Prof. Chih-hung Chang und seine Chemieingenieure an der Oregon State University (OSU) finden einen neuen Weg, um Nanostruktur-Filme auf einer Vielzahl von Oberflächen ablagern zu können. Die ursprüngliche Zielanwendung ist für Brillen und Kamera-Objektive, um deren Blendung zu reduzieren und mehr Licht durch zu lassen, doch die Verringerung der Reflektion ist auch ein Ziel, um effizientere Solarzellen zu ermöglichen. im Gegensatz zu anderen Arten von Filmbeschichtungen soll der neue Nano-Film seine Aufgabe besser erfüllen, preisgünstiger sein und sich auch einfacher auf den Oberflächen aufbringen lassen – ohne daß es hierfür aufwendiger Ausrüstungen bedarf.

Ein besonderer Vorteil der neuen Nanostruktur-Folie ist, daß sie sich unabhängig von der eingesetzten Solarzellenart überall anwenden läßt, bis hin zu Konzentratorzellen. Der Film selbst ähnelt Millionen von kleinen, fraktalen Pyramiden. Der Schlüssel des Verfahrens ist die Verwendung eines chemischen Bades, das durch einen Mikroreaktor kontrolliert wird, um die Dünnschicht-Ablagerungen auf verschiedene Substrate wie Glas, Kunststoff, Silizium oder Aluminium zu plazieren. Ein Patent ist bereits angemeldet, und das Team hofft nun, die ersten kommerziellen Produkte schon innerhalb eines Jahres vorweisen zu können.

Oktober 2009: An der Universität des Saarlandes beschäftigt sich Prof. Uwe Hartmann im Rahmen eines Verbundprojektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und mit einer Förderung in Höhe von rund 500.000 € ebenfalls mit Oberflächenplasmonen, um Solarzellen mit deutlich mehr Leistung als bisher zu erzeugen. An der intensiven Erforschung dieses physikalischen Phänomens arbeitet die Universität bereits seit einigen Jahren. Die Saarbrücker Arbeitsgruppe erarbeitet jetzt Modellsysteme, die auf Methoden der Nanotechnologie beruhen. In Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern soll dann versucht werden, plasmonische Elemente in kommerzielle Solarzellen einzubauen. Das Verbundprojekt wird in den kommenden drei Jahren mit 2,16 Mio. € gefördert, Partner sind die Schott AG in Mainz, das Forschungszentrum Jülich und die Fraunhofer Gesellschaft.

Omnidrectional Electromagnetic Absorber

Omnidrectional
Electromagnetic Absorber

Oktober 2009: Chinesische Wissenschaftler um Qiang Cheng und Tie Jun Cui von der Southeast University in Nanjing stellen ein Gerät vor, das elektromagnetische Strahlung absorbieren kann und als auch Modell für astronomische Schwarze Löcher dienen soll, die nicht nur Materie sondern auch Licht anziehen. Der Omnidrectional Electromagnetic Absorber genannte Apparat besteht aus konzentrischen Platinenstreifen, die mit Kupfer überzogen sind. Dabei ist jeder Streifen abwechselnd mit einem Strukturmuster bedruckt, das entweder mit elektromagnetischen Wellen mitschwingt oder auch nicht. Als künstlich hergestellte Strukturen weisen diese sogenannten Metamaterialien Werte für die Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder auf, wie sie auf natürliche Weise nicht vorkommen. Aus diesem Grund haben sie auch die besondere Eigenschaft, Licht und andere Formen von Wellen verzerren zu können.

Das vorgestellte Gerät absorbiert aus sämtlichen Richtungen kommende elektromagnetische Wellen, indem es die Strahlung spiralartig nach Innen lenkt und dabei die Energie mit einer 99 %-igen Absorptionsrate in Wärme umwandelt. Dadurch verhält es sich wie ein elektromagnetisches Schwarzes Loch. Derzeit funktioniert die Apparatur lediglich mit Mikrowellen, die Forscher arbeiten jedoch bereits daran, ein künstliches Schwarzes Loch zu entwickeln das auch Licht absorbiert und zukünftig in der Wärmeübertragung und bei der Gewinnung von elektromagnetischer Energie genutzt werden kann. Auf dem Foto sieht man die Simulationen verschiedener Formen von Einstrahlung.

Oktober 2009: Prof. Bert Hecht von der Universität Würzburg präsentiert zusammen mit Forscherkollegen aus Dübendorf (Schweiz) und Mailand (Italien) Nano-Antennen als ein mögliches Konzept für eine neue Art von Solarzellen. Im Gegensatz zu Halbleitersolarzellen sammeln die (schon mehrfach erwähnten) optischen Antennen das Licht aus einem Bereich, der viel größer ist als ihre Fläche. Daher kann man die Antennen in einer geringen Dichte auf eine Oberfläche aufbringen und trotzdem das gesamte Licht absorbieren, das auf sie fällt. Außerdem ist es möglich, das Licht das auf diese Fläche strahlt vorher zu konzentrieren. Daß Elektronen zu wandern beginnen und die daraus resultierende elektrische Spannung genutzt werden kann, bewirkt das Licht in einer Halbleiter-Solarzelle als auch in einer optischen Antenne gleichermaßen. Bei den Prototypen aus Würzburg, die aus feinsten Goldfäden bestehen, geschieht die Ladungstrennung an den beiden Enden eines organischen Moleküls, das in seiner Funktion den Halbleiterschichten in einer herkömmlichen Solarzelle entspricht. Gold wurde als Baumaterial für die Antennen ausgewählt, weil es an der Luft stabil bleibt und nicht korrodiert, wie beispielsweise Silber, aus dem sich Lichtantennen mit noch besseren Eigenschaften erzeugen ließen.

Die Herstellung der optischen Nano-Antennen ist allerdings knifflig, denn sie müssen um die 300 Nanometer lang sein und einen Spalt haben, der schmaler als zehn Nanometer ist, in welchem sie das Licht sammeln. Das Würzburger Team beschreitet dabei einen neuen Weg: Über die Methode der chemischen Selbstorganisation werden Goldplättchen gewonnen, die aus nur einem einzigen Goldkristall bestehen und daher in sich keine Körnung aufweisen. Aus diesen Plättchen werden per Ionenstrahl hochpräzise Nanostrukturen modelliert, deren Schnittränder flach sind wie eine einzige Schicht aus Goldatomen. Die auf diese Weise hergestellten Lichtantennen konzentrieren das Licht in ihrem Spalt zehn Mal besser als herkömmliche Antennen. Das Potential der Nano-Antennen soll in den kommenden Jahren bei einem Projekt erschlossen werden, das von der Volkswagen-Stiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.

Oktober 2009: Die NASA gibt bekannt, daß sie in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen MSGI Security Solutions die kommerzielle Anwendung von Weltraum-Nanotechnologien vorantreiben wird. Unter anderem sollen Solarzellen aus Weltraummissionen dank hoher Effizienz und günstigem Preis mit bisherigen Lösungen konkurrieren. Meyya Meyyappan zufolge, Chefwissenschaftler am Nanotechnologiezentrum des NASA Ames Research Center, basiert die NASA-Solarzellentechnologie auf der Nanodraht-Form eines Halbleitermaterials, die für starre ebenso wie flexible Substrate geeignet ist. Die MSGI-Tochter Andromeda Energy soll nun an erneuerbaren Energielösungen arbeiten, die geringere Kosten pro Watt ermöglichen als herkömmliche Energiequellen. Genauere Details werden aufgrund eines laufenden Patentverfahrens nicht verraten.

Januar 2010: Materialwissenschaftler der University of Pennsylvania um Prof. Dawn Bonnell demonstrieren ebenfalls die Umwandlung einer optischen Strahlung in elektrischen Strom mittels einer molekularen Schaltung. Das System, eine Anordnung von nanogroßen Goldmolekülen auf einem Glassubstrat, reagiert auf elektromagnetische Wellen, indem es Oberflächenplasmonen produziert, welche ihrerseits elektrischen Strom in die Moleküle induzieren.

Bei Minimierung des Raums zwischen den Nanopartikeln auf einen optimalen Abstand, verwendeten Forscher optische Strahlung um leitende Elektronen (Plasmonen) anzuregen, auf der Oberfläche der Goldnanopartikel zu ‚reiten’ und das Licht auf die Stelle zu konzentrieren, an der die Moleküle miteinander verbunden sind. Sind die Nanopartikel optimal gekoppelt, wird zwischen den Partikeln ein hohes elektromagnetisches Feld aufgebaut und von den Gold-Nanopartikeln aufgenommen. Wenn dann auch die Größe, die Form und der Abstand der Partikel so optimiert sind, daß eine resonierende optische Antenne entsteht, kann die Effizienz der gegenwärtigen Stromproduktion in dem Molekül um bis zu 2000 % erhöht werden.

Darüber hinaus zeigt das Team, daß die Größe der Photoleitfähigkeit der Plasmon-gekoppelten Nanopartikel unabhängig von den optischen Eigenschaften des Moleküles eingestellt werden kann. Sollte es möglich sein, die Effizienz des Systems ohne zusätzliche, unvorhergesehene Einschränkungen hochzuskalieren, könnte es den Forschern zufolge möglich sein, ein 1 A/1 V Labormodell mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares und einer Länge von einem Zoll herzustellen.

April 2010: Das Nanotech-Unternehmen Shrink Nanotechnologies Inc. gibt die Bildung des Tochterunternehmens Shrink Solar LLC bekannt, das einen Solaranlagen-Film vermarkten soll, der verwendet werden kann, um Fenster und andere Elemente in schon bestehenden Gebäuden in Mini-Solarkraftwerke zu verwandeln. Die Technologie kann auch bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen angewendet werden, um deren Effizienz zu steigern. Anstatt sich auf Spiegel oder andere konventionelle Konzentrator-Technologien zu verlassen, verwendet Shrink Solar Nanokristalle, um die Teile des Lichtspektrums aufzunehmen, die herkömmliche Silizium-Zellen nicht absorbieren können. Etwas seltsam klingt, daß dies die bereits 5. Generation dieser Solarkonzentrator-Technologie sein soll, welche auf dem firmeneigenen Quanten-dotierten NanoShrink Material basiert. Denn zuvor hatte ich noch nie davon gehört.

Im Dezember gibt Shrink Nanotechnologies bekannt, daß es die weltweite und exklusive Lizenz für den ‚elektronischen Klebstoff’ des oben erwähnten Prof. Talapin von der University of Chicago erworben habe, was seltsam ist, weil Talapin und seine Kollegen ihren electronic glue schon Anfang 2009 an die Firma Evident Technologies Inc. lizenziert hatten. Shrink zufolge wird für die weitere Entwicklung des neuen Produkts eine weitere Tochter namens BlackBox Semiconductor Inc. gegründet. Bis auf eine ebenso seltsame Meldung vom Juni 2012, der zufolge die BlackBox Semiconductor Inc. aus Nevada zu 100 % an die BlackBox Semiconductor Inc. aus Delaware verkauft wurde. Auch die Homepages der verschiedenen Firmen sind nicht mehr Online.

Mai 2010: Eine neu eingerichtete Forschungsgruppe an der Universität Duisburg-Essen (UDE), die den Forschungsschwerpunkt Nanotechnologie und speziell die Nano-Energietechnik an der UDE verstärkt, befaßt sich insbesondere mit der Weiterentwicklung der sogenannten rollbaren Hybridphotovoltaik für den mobilen Einsatz. Das Land NRW und die UDE fördern das Vorhaben in den nächsten fünf Jahren mit 1,42 Mio. €.

Juni 2010: Forscher am Boston College Prof. Michael Naughton entwickeln eine ultradünne nanoskalige Solarzelle auf Basis einer alten Technologie, aus der u.a. Koaxialkabel entstanden sind, die einen höheren Wirkungsgrad als jede bisherige Dünnschicht-Solarzelle verspricht. Die Nanocoax genannte Zelle, die keine kristallinen Materialien erfordert, sondern aus amorphem Silizium besteht, erreicht einen Wirkungsgrad von 8 %. Ursprünglich bereits 2005 am Boston College erfunden ist die neue Technologie, über die es noch keine Details gibt, im Jahr 2009 patentiert worden. Projektpartner sind Mitarbeiter der Solasta Inc. aus Newton, Massachusetts, sowie der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, und gefördert wird die Forschung teilweise durch einen Technologie-Inkubator-Zuschuß des DOE.

Juni 2010: Auch Forscher der Yale University um Richard Prum wollen die Strukturen der bunten Flügel von Schmetterlingen verwenden, um effizientere Solarzellen zu schaffen. Die Farben der Flügel entstehen durch sogenannte Gyroide, dreidimensional gekrümmte, kristalline Nanostrukturen, die selektiv Licht streuen. Bei den Arbeiten, die am Argonne National Laboratory in Illinois durchgeführt werden, untersuchen die Wissenschaftler die Flügel von fünf Schmetterlingsarten, um deren dreidimensionale innere Strukturen zu finden. Insbesondere interessierte dabei, wie es eine Zelle schafft, sich in diese außerordentliche Form zu bringen.

Gyroide des Schmetterlingsflügels

Gyroide des
Schmetterlingsflügels

Das Team findet heraus, daß sich die Zellen der äußeren Membranen der Schmetterlingsflügel bei ihrem Wachstum in das Innere der Zellen hinein falten. Aus der Faltung der Membran ergibt sich dann ein doppelter Gyroid. Schließlich wird in dem äußeren Gyroid Chitin abgeschieden, um einen einzigen massiven Kristall zu schaffen. Wenn die Zelle danach stirbt, hinterläßt sie die optisch effizienten Kristall-Nanostrukturen auf dem Schmetterlingsflügel, die sich auf dem Foto in leuchtend grüner Farbe zeigen.

Juli 2010: Prof. Akhlesh Lakhtakia und sein Team an der Pennsylvania State University stellen eine biomimetische Form vor, die sie aus den Augen von Schmeißfliegen hergestellt haben. Diese haben Facettenaugen, die etwa halbkugelförmig sind, wobei die Oberfläche innerhalb dieser Halbkugel durch makroskopische sechseckige Augen mit nanoskaligen Eigenschaften abgedeckt wird. Dadurch haben sie genau die richtige Form, um als Vorbild für die Herstellung optimaler Solarzellen zu dienen.

Zuerst werden den Schmeißfliegen Hornhäute entnommen und auf einem Glassubstrat fixiert und dann das Silikon-basierende organische Polymer Polydimethylsiloxan hinzuzugegeben, um die Form zu schützen. In einer Vakuumkammer werden die neunäugigen Gitter dann 250 Nanometer dünn mit Nickel beschichtet. Das Ergebnis ist eine 0,5 mm dicke Master-Schablone, auf welcher die nützlichen nanoskaligen Eigenschaften beibehalten werden. Diese Vorlage kann verwendet werden, um das Muster exakt zu replizieren. Nun ist geplant, eine größere Vorlage aus Hornhäuten von 30 Schmeißfliegen zu machen. Dabei soll auch herausgefunden werden, wie farbige Flächen ohne Verwendung von Pigmenten herstellbar sind. Außerdem entwickelt Lakhtakia zusammen mit einer Gruppe italienischer Wissenschaftler der Universidad Autónomia de Madrid um Prof. Raúl José Martín-Palma ein Design für spezielle Linsen, die auf Fliegenaugen basieren und erheblich zur Verbesserung der Licht-Ernte-Fähigkeiten von Silizium-Solarzellen beitragen könnten.

Juli 2010: Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) um Jamil Elias und Laetitia Philippe in der Schweiz gelingt es, winzige Polystyrol-Kügelchen als eine Art Gerüst zu nutzen, um dreidimensionale Strukturen von halbleitenden Zinkoxid-Nanodrähten auf Oberflächen zu erzeugen. Die so entstandenen regelmäßig ‚rauhen’ Oberflächen sollen sich für viele elektronische und optoelektronische Anwendungen eignen, so auch für die Entwicklung verbesserter PV-Zellen. Dabei werden zunächst Kügelchen aus Polystyrol von wenigen Mikrometern Durchmesser auf eine leitfähige Schicht aufgebracht, wo sie sich in regelmäßigen Mustern anordnen. Anschließend werden Leitfähigkeit und elektrolytische Eigenschaften der Polystyrol-Kügelchen so variiert, daß sich auf ihrer Oberfläche Zinkoxid ablagert und mit der Zeit gleichmäßige Nanodrähte darauf wachsen. Sobald die ‚Stacheln’ gezüchtet sind, wird das Polystyrol zerstört – und übrig bleiben sphärische Gebilde, die aussehen wie Seeigel und innen hohl sind.

Die dicht gepackte nanostrukturierte Oberfläche bildet eine dreidimensionale Struktur mit einer um ein Mehrfaches vergrößerten Fläche, die voraussichtlich ausgezeichnete Lichtstreuungseigenschaften besitzt und deshalb deutlich mehr Sonnenlicht absorbieren und Strahlungsenergie effizienter umwandeln kann. In einem vom Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Projekt sollen auf der Basis von Zinkoxid-Nanostrukturen nun extrem dünne Absorber für Solarzellen entwickelt werden.

Juli 2010: Ein Team von Wissenschaftlern an der University of Maryland um Prof. Min Ouyang entdeckt eine bisher unbekannte Art von Licht/Materie-Wechselwirkung, die einen großen Schritt in Richtung auf eine deutlich Verbesserung der Energie- und Umwandlungseffizienz von Solarzellen bedeuten könnte. Sie nutzen hierfür eine besondere Hybrid-Nanostruktur, mit der sie auch den ersten vollständig Quanten-kontrollierten Qubit-Spin (Quantenbit) innerhalb winziger Nanostruktur-Teilchen zeigen können, der bei Quantencomputern ebenso wie bei super-effizienten PV-Zellen zum Einsatz kommen soll.

August 2010: Forscher an der niederländischen Universität Eindhoven wollen Nanodraht-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 65 % entwickeln. Die Wissenschaftler glauben, daß Nanodrähte, in Kombination mit Konzentratoren, das Potential für die weltweit effizientesten Solarzellen haben – und dies bei Kosten von weniger als 0,5 $/W. Das Konzept sieht vor, mittels der Nanodrähte eine Reihe von Unterzellen (junctions) übereinander zu stapeln, wobei jede Teilzelle ein bestimmtes Wellenlängenband des Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt. Mit einer schützenden Hülle um die Nanodrähte und der Stapelung von fünf bis zehn Unterzellen soll sich die genannte Effizienz erreichen lassen. Die Forschung wird bei Philips MiPlaza und mit Mitteln aus dem niederländischen Wirtschaftsministerium durchgeführt.

September 2010: Eine Gruppe um Prof. Michael S. Strano vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge entwickelt ein Molekül, das Sonnenlicht einfangen und sich dabei durch Zugabe oder Wegnahme einer speziellen Flüssigkeit immer wieder erneuern läßt. Das Material imitiert einen Mechanismus der Pflanzenzellen, bei dem sich die für die Photosynthese zuständigen lichtempfindlichen Moleküle in den Chloroplasten ständig selbst regenerieren. Ein Blatt an einem Baum recycelt seine Proteine beispielsweise alle 45 Minuten. Beim Nachbau im Labor konstruieren die Wissenschaftler synthetische Moleküle in Form von Scheiben, welche die Basis für andere Moleküle - die sogenannten Reaktionszentren - bilden, die bei Anregung durch Licht Elektronen abgeben.

Die Scheiben befinden sich in einer Lösung, in der sie sich spontan an Nano-Röhren aus Kohlenstoff anheften können, was dazu führt, daß sich die Scheiben einheitlich ausrichten und die Reaktionszentren alle gleichermaßen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Die Röhren bilden dabei gleichzeitig die Leiterbahnen und die Gerüstsubstanz der Zelle. Weitere Bestandteile sind Phospholipide, fadenförmiges Strukturprotein, und ein lichtempfindliches Eiweißmolekül, das auch Pflanzen für die Photosynthese benutzen. Durch das Hinzufügen eines Tensids fallen die insgesamt sieben Komponenten auseinander und bilden eine wäßrige Lösung. Wird das Tensid wieder entfernt, setzen sie sich spontan wieder zusammen und ermöglichen dadurch erneut die Erzeugung von Strom – mit einem Wirkungsgrad von 40 %. Ein Test über mehrere Regenerationszyklen zeigt, daß der Solarstrom jedes Mal wieder seine Anfangsstärke erreicht. Um die noch sehr geringe Gesamteffektivität des neuen Systems zu steigern wird mit Fördermitteln des amerikanischen Energieministeriums nun nach Möglichkeiten gesucht, die Konzentration der Moleküle in der Flüssigkeit deutlich zu erhöhen.

September 2010: Mit einem Zuschuß von der National Science Foundation in Höhe von 1,6 Mio. $ startet an der University of Oregon ein dreijähriges Forschungsprojekt, bei dem nanostrukturierte Halbleiter-Materialien entworfen werden sollen, um die Photovoltaik-Effizienz zu verbessern. Ziel des Teams um Stephen Kevan, an dem auch Kollegen der Oregon State University und der University of Illinois beteiligt sind, ist die Entwicklung von Materialien, die Sonnenlicht in elektrische Energie statt in Wärme konvertieren. Hierfür soll das Prinzip der sogenannten Heteroübergang-unterstützten Stoßionisation (heterojunction-assisted impact ionization) zur Anwendung gelangen, bei dem auch Photonen kürzerer Wellenlängen absorbiert werden.

Januar 2011: Forscher um Prof. Jong Hyun Choi an der Purdue University entwickeln eine neue Art von Solarzellen, welche die ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren nutzen, um Selbst-Reparaturen durchzuführen - ähnlich wie es natürliche photosynthetische Systeme in Pflanzen tun. Das neue Konzept, bei dem Porphyrine genannte synthetische Farbstoffe genutzt werden, könnte photoelektrochemische Zelle ermöglichen, die bei voller Auslastung auf unbestimmte Zeit weiterfunktionieren, solange regelmäßig neue Farbstoffe hinzugefügt werden.

Januar 2011: An einer Antireflexionsfilm-Beschichtung für Solarzellen auf Grundlage der Strukturen von Mottenaugen arbeitet Noboru Yamada von der Nagaoka University of Technology in Japan gemeinsam mit Forschern der Tokyo Metropolitan University sowie der Mitsubishi Rayon Co. Ltd. – wobei das Team Formen aus anodischem porösem Aluminiumoxid verwendet, um die Mikrostruktur des Mottenauges in Nanogröße in Acrylharz einzudrucken. Daraus soll nun ein low-cost Verfahren zur großflächigen Herstellung mit einem hohen Durchsatz entwickelt werden. Basierend auf Testergebnissen mit entsprechend beschichteten kristallinen Silizium-Solarzellen zeigen die Computermodelle des Teams, daß die Effizienz von Solarzellen um bis zu 6 % gesteigert werden kann.

Februar 2011: An der Überschreitung des bisherigen theoretischen maximalen Solarzellen-Wirkungsgrades von 31 % arbeitet auch Prof. Gergely Zimányi an der UC Davis gemeinsam mit Forschern der UC Santa Cruz. Durch den Einsatz einer voll funktionsfähigen Solarzelle aus Germanium- und Silizium-Nanopartikeln sollen pro Photon mehrere Elektronen ‚losgeschlagen’ werden, was zu Wirkungsgraden zwischen 42 % und 65 % führen kann. Ein erster Prototyp erreicht zwar nur 8 %, demonstriert die Funktion aber erfolgreich selbst in diesem sehr frühen Stadium.

April 2011: Prof. Angela Belcher vom MIT, die sich auch mit der Entwicklung sogenannter Viren-Batterien beschäftigt, synthetisiert gemeinsam mit Paula Hammond Nanokomposite aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren als Kern und TiO2-Nanokristallen als Schale – unter Verwendung eines gentechnisch hergestellten M13-Virus als Matrize. Damit wird das sonst häufig auftretende ‚Verklumpen’ der Nanoröhren verhindert. Mit den Nanokompositen als Photoanoden in Farbstoff-Solarzellen kann deren Effizienz von 8 % auf 10,6 % gesteigert werden. Darüber hinaus machen die Viren die Nanoröhrchen wasserlöslich, was es ermöglicht, diese unter Verwendung eines Wasser-basierten Verfahrens, das auch bei Raumtemperatur funktioniert, in die Solarzelle zu integrieren.

Mai 2011: Die Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) in Singapur veröffentlicht einen Bericht, dem zufolge es Patrick Lo und seinen Mitarbeitern gelungen sei, ein inhärentes Problem von Low-grade Silizium-Dünnschichten auf billigen Substraten zu lösen: Diese können nämlich keine Photonen absorbieren, deren Wellenlängen größer sind als die Schichtdicke selbst. Um mehr Photonen in der Silizium-Dünnschicht einzufangen, gravieren die Wissenschaftler nanogroße Silizium-Säulen in den Maßen von einigen hundert Nanometern in die Siliziumoberfläche, die wie ein Wald von Bäumen wirken, zwischen die das Licht eintritt – aber nicht so einfach wieder herausfindet. Lo zufolge bieten die Arbeiten mit Nanostrukturen einen wunderbaren Weg, um Grenzen zu überwinden, die von der klassischen Physik gesetzt werden.

Mai 2011: Prof. Patrick Pinhero von der University of Missouri entwickelt eine flexible Solarzellenstruktur aus mikroskopischen Antennen (Nantennas), die über 90 % der Sonnenenergie absorbieren soll. Die Nantennas bestehen aus mikroskopisch kleinen rechteckigen Spiralen aus Gold-Nanodraht mit einem Durchmesser von etwa 1.000 Atomen, die in einem Druckprozeß auf die Folie aufgebracht werden. Trifft eine elektromagnetische Welle einer bestimmten Wellenlänge auf die Nantenna, wird in der Struktur eine stehende Welle im Terahertz-Bereich erzeugt, die in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Über die Größe der Nantenna-Struktur läßt sich das System auf die Absorption verschiedener Wellenlängen abstimmen. In Zusammenarbeit mit Dennis Slafer von der Firma MicroContinuum Inc. aus Cambridge, Massachusetts, konnte das Team bereits Solarzellen herstellen, die für eine kostengünstige Massenproduktion geeignet sind. Laut Pinhero könnte die Technologie innerhalb von fünf Jahren verfügbar gemacht werden.

Juni 2011: David Norris von der University of Minnesota (inzwischen ETH-Forscher, s.u. Heiße-Elektronen-Zelle) arbeitet an Nanosolarzellen, die auf dem Prinzip der Tandemsolarzelle beruhen. Tandemzellen bestehen aus mehreren Halbleiterschichten, die auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt sind, so daß sich mehr Energie des Sonnenlichts nutzen läßt. Sie erreichen bereits Wirkungsgrade von über 40 %, sind aber noch relativ teuer. Billiger könnten die Zellen werden, wenn man statt herkömmlicher Dünnschichttechnologien Schichten aus Nanokristallen übereinander stapelt. Über die Größe der Kristalle läßt sich die Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen des Lichts einstellen, und auch der Herstellungsprozeß wäre einfacher und billiger. Die ersten Nanosolarzellen-Prototypen von Norris schaffen erst 3 % Wirkungsgrad, doch der Wissenschaftler ist überzeugt, daß 10 % bald erreichbar sind – und in Kombination mit herkömmlichen Tandemzellen sogar noch weit höhere Werte. Da die verwendeten Materialien allerdings selten und giftig sind, will der Chemiker nun versuchen, Nanokristalle aus harmlosen Kolloiden zu züchten.

Juli 2011: Marian Plotkin, Insektenforscher und Experte für Nanotechnologie an der Staatsuniversität Singapur, hat das Ziel, das Bio-System der Hornisse nachzuahmen und daraus neue, effizientere und vor allem billigere Solarzellen zu entwickeln. Bei der Untersuchung des Hautpanzers der Hornisse mit einem Atom-Mikroskop entdeckt Plotkin, daß die braunen und gelben Streifen am Hinterleib des Insekts wie eine Solarzelle fungieren. Der braune Teil weist Kerben auf, die das Sonnenlicht absorbieren und an die unteren Schichten des Hautpanzers weiterleiten. Dabei springt das eingefangene Sonnenlicht zwischen Ober- und Unterschicht der Haut wie ein Hüpfball hin und her. Die gelben Streifen, die ihre Farbe vom Pigment Xanthopterin haben, dienen dazu, das Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Plotkin vermutet, daß ein Teil der Energie in einem photo-biochemischen Prozeß umgewandelt und gespeichert wird und bei Bedarf abgerufen werden kann.

Juli 2011: Eine Solarzelle, die nicht ausschließlich auf Sonnenlicht angewiesen ist, wird von Forschern des MIT um Prof. Marin Soljačić entwickelt. Das neue thermophotovoltaische Energieumwandlungssystem in der Größe eines Knopfes kann durch die Strahlen der Sonne, Hitze, Kohlenwasserstoff-Brennstoffe oder den Zerfall von Radioisotopen betrieben werden. Die im Vergleich zu ihren Vorgängern wesentlich effizientere Methode basiert auf einer Platte aus Wolfram, in deren Oberfläche Milliarden von nanoskaligen Grübchen geätzt werden. Wenn dieses Material Wärme aufnimmt, strahlt es Energie mit einer genau ausgewählten Wellenlänge ab, in Abhängigkeit von der Größe der Gruben.

August 2011: Das Solarunternehmen Spire Corp. meldet, daß es ein Patent für ein nanophotovoltaisches Gerät erhalten habe (US-Nr. 7.955.965), das u.a. dazu verwendet werden kann, um das Wachstum von biologischen Zellen wie Krebszellen zu kontrollieren oder zu beschränken. Das Patent umfaßt die Nano-PV-Geräte mit Größen von etwa 50 Nanometern bis etwa 5 Mikrometern nebst dem Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Geräte können spezifische Zielzellen auswählen und werden dann selektiv mit Licht aktiviert, um eine elektrische Ladung zu generieren, die das Zellwachstum stört oder beendet. Es ist das bereits dritte Patent der Spire Corp., in welchem das Unternehmen seine Erfahrung im Bereich der Photovoltaik mit denen in der Biomedizin zusammenführt.

Dezember 2011: Muhammad Iftekhar Shams und seine Kollegen an der Universität Kyoto in Japan finden heraus, wie man eine Krabbenschale transparent macht. Sie betrachten dies als Schlüssel zur Verbesserung der Technologie, die hinter Solarzellen, Displays und biegbare Bildschirmen für Geräte wie Handys und Tablet-PCs steckt. Die Behandlung einer toten Krabbe mit Salzsäure, Natronlauge und Ethanol befreit den Körper von Mineralien, Proteinen, Lipiden, Fetten und Pigmenten. Übrig bleibt durchscheinendes Chitin, ein langkettiges Polymer, das die Hauptkomponente des Exoskeletts des Krustentiers bildet. Anschließend wird die Schale in ein Acrylharz-Monomer eingetaucht, worauf die Monomer-Moleküle miteinander reagieren um Polymerketten zu bilden (Polymerisation). Das Resultat ist ein komplett durchsichtiges Chitin, das von den Wissenschaftlern zerkleinert, auf einem Nanokomposit-Blatt verteilt und dann mit Acrylharz-Monomer behandelt wird.

Die entstehende transparente Platte behält ihre Stabilität bei, auch wenn sie erhitzt wird, was sie für Solarzellen hochgeeignet macht. Der Chitin-Nanopulver-Verbundwerkstoff zeigt praktisch keine Abnahme seiner Lichtdurchlässigkeit bei Temperaturen bis 80°C, während sich das Transmissionsverhalten von z.B. Glasfaser-Epoxid-Verbundwerkstoffen um bis zu 65 % reduziert, wenn die Temperatur auf 100°C steigt. Ein wichtiges Argument für die Weiterverfolgung des Projekts ist, daß der Hauptbestandteil Chitin aus Abfällen von Verarbeitungsbetrieben für Hummer, Garnelen und Krabben reichlich anfällt und billig ist.

Nanohüllen der Stanford University

Nanohüllen
(Stanford University)

Februar 2012: Wissenschaftler der Stanford University stellen eine innovative Lösung vor, um die Effizienz und Haltbarkeit von Solarzellen zu verbessern. Sie entwickeln hierfür sogenannte Nanohüllen (Nanoshells, auch Nanoschalen genannt), d.h. Kugeln aus nanokristalliner Kieselerde, die in Silizium getaucht und dann mit Fluorwasserstoffsäure ausgehöhlt werden, um einen Pfad für das eingefangene Licht zu schaffen.

Wenn Sonnenlicht in eine der Nanoshells eintritt, wird es eingefangen und zirkuliert mehrmals innerhalb der Nanohülle, anstatt sie nur einfach zu durchqueren. Durch eine drei Ebenen tiefe Stapelung wird im Vergleich zu einer flachen Schicht aus Silizium eine Verbesserung bis zu 75 % für bestimmte wichtige Bereiche des solaren Spektrums erzielt. Nanohüllen erfordern auch nur etwa ein Zwanzigstel der Menge an Material, was ein Zwanzigstel der Kosten und des Gewichts bedeutet. Darüber hinaus wird die Effizienz der Nanohüllen nicht wesentlich von ihren Winkel zur Sonne betroffen – und schließlich sind die Schichten dünn genug, daß sie sich verdrehen und verbiegen lassen, wodurch sie möglicherweise in Gegenstände wie Segel oder Kleidung eingebaut werden könnten.

Februar 2012: Forscher der australischen Swinburne University of Technology um Prof. Min Gu (Victoria-Suntech Advanced Solar Facility, VSASF) entwickeln die weltweit leistungsfähigste nanoplasmonische Breitband-Solarzelle. Sie verbessern die Leistungsfähigkeit der bestehenden Dünnschicht-Zellen durch den Einbau von 200 nm großen unebenen Gold- und Silber-Nanopartikeln. und erreichen damit einen Wirkungsgrad von bis zu 8,1 %. Das Team hatte zuvor bereits herkömmliche Gold- und Silber-Nanopartikel in Dünnschicht-Zellen von Suntech eingebettet, da diese hoch-reflektierenden Teilchen die Wellenlänge der absorbierten Sonneneinstrahlung erhöht, wodurch auch die Rate steigt, mit der die Photonen in Elektronen umgewandelt werden.

Die unebene Oberfläche der ‚holprigen’ Nanopartikel jedoch streut das Licht noch weiter in einem Breitband-Wellenlängenbereich, was eine noch höhere Absorption ergibt, weshalb die Wissenschaftler hoffen, die Effizienz im Laufe des Jahres auf mindestens 10 % steigern zu können. Die Forschung erfolgt unter der Schirmherrschaft der VSASF mit einer 12 Mio. $ Finanzierung durch die Regierung von Victoria, Swinburne und Suntech. Suntech plant die Massenproduktion der verbesserten Solarzellen und erwartet, daß sie ab 2017 im Handel erhältlich sein werden.

Februar 2012: Ein Wissenschaftlerteam vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) um Prof. Franz-Josef Tegude entwickelt eine neue Methode, radial aufgebaute Nanodrähte aus Galliumarsenid für ultraleichte Solarzellen nutzbar zu machen. Gegensatz zu den klassischen Schichtsystemen, die nur rund 60 % des Sonnenlichts einfangen können, absorbieren dicht an dicht stehende Nanodrähte mehr als 90 % der einfallenden Strahlung. Die Drähte, die Christoph Gutsche während seiner Promotion entwickelt, messen 270 nm im Querschnitt und bestehen aus einem negativ geladenen Kern und einer positiv geladenen Hülle, so daß das Verhältnis zwischen Platzbedarf und der zur Stromerzeugung benötigten Grenzfläche deutlich größer ist als bei den Schichtsystemen.

Um den erzeugten Strom an den Drähten abführen zu können, muß jedoch jeweils ein exakter elektrischer Kontakt am n-dotierten Kern, der einen Durchmesser von nur 100 nm aufweist, sowie an der p-dotierten Hülle anliegen – was bislang höchst schwierig war. Die neue Methode der CENIDE-Wissenschaftler ist so einfach wie genial: Zwischen Kern und Hülle wird eine Zwischenschicht aus Indiumgalliumphosphid (InGaP) eingebaut. Da mit Phosphorsäure die äußere Galliumarsenid-Hülle, und mit Salzsäure die InGaP-Zwischenhülle abgelöst werden kann, wobei beide Säuren selektiv ätzen, stoppt der Prozeß jeweils am Beginn der nachfolgenden Schicht automatisch. Dadurch gelingt es erstmals, einen radialen Nanodraht gezielt und im großen Maßstab reproduzierbar zu kontaktieren und für die Stromerzeugung aus Sonnenlicht nutzbar zu machen.

IMEC Nanostrukturen

IMEC Nanostrukturen

März 2012: Das unabhängige Forschungszentrum Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) stellt Solarzellen aus kristallinem Silizium vor, deren periodische photonische Nanostrukturen mit einer Nano-Präge-Lithographie (nano-imprint lithography) gefertigt sind. Durch die hierdurch erzielte bessere Absorption des Lichtspektrums kann auch ein höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu unstrukturierten Zellen erreicht werden. Die Reduzierung der Siliziumwafer-Dicke von 150 μm auf 50 μm und weniger ist ein Weg, um die Kosten von Solarzellen zu verringern. Am IMEC versucht man, dies mittels ultradünner Filme zu erreichen, ohne daß sich dabei die optische Absorption wesentlich reduziert. Dies gilt insbesondere im nahen Infrarotbereich. Ein Photon mit einer Wellenlänge von 1 μm braucht eine Absorptionstiefe von 100 μm. Verliert man diesen Teil des Spektrums, verringert sich auch der Gesamtwirkungsgrad der Zelle.

Seit neuestem hat die Photonik allerdings Methoden entwickelt, um Licht durch spezifische Strukturen zu manipulieren, die kleiner sind als die Wellenlängen selbst. Dies macht es möglich, periodische photonische Nanostrukturen zu verwenden, um die Bewegung von Photonen zu beeinflussen, ähnlich wie sich die Periodizität von Atomen in einem Halbleiterkristall auf die Bewegung der betreffenden Elektronen wirkt. Um dies zu tun, werden effiziente Strukturierungs-Techniken mit Nanometer-Auflösung benötigt.

Das IMEC nutzt hierzu die Nano-Präge-Lithographie, ein neuer Top-down-Ansatz zur Herstellung nanoskaliger Muster. Er gilt als einer der besten Kandidaten, um die Lichtabsorption zu verbessern – bei gleichzeitig akzeptablen Herstellungskosten, wird derzeit aber noch kaum für Silizium-PV-Anwendungen verwendet. Die matrialsparende Strukturierung wird mittels direkter Verformung des Resistmaterials durch mechanischen Druck und einen nachfolgenden Ätzschritt durchgeführt. Im Vergleich zur Standard-Texturierung durch Naßätzen, bietet die Subwellenlängen-Strukturierung mit der Nano-Imprint-Lithographie einige Vorteile: Es gibt weniger Materialabfall, und aufgrund der Abmessungen der Nanostruktur sind Beugung und Streuung des Lichtes bei höheren Winkeln möglich.

Schmetterlingsflügeln

Schmetterlingsflügel

April 2012: Die chinesischen Materialwissenschaftler der Shanghai Jiao Tong University um Tongxiang Fan, welche die Gestaltung von Schmetterlingsflügeln studieren, um Solarstrom effizienter zu machen, entdecken, daß die Schuppen das Licht auch in die unteren Schichten der komplexen Schindel-Struktur fallen lassen, was zur Verdoppelung der Lichtaufnahme führt. Die erhabenen Rippen der Schuppen enthalten an den Kanten nämlich winzige Löcher um zu ermöglichen, daß das Licht auch unter die Schuppen geschleust wird.

April 2012: An der University of Southern California (USC) entwickeln Prof. Richard L. Brutchey und sein Team eine kostengünstige Technologie, um stabile flüssige Solarzellen zu produzieren, die auf klare Flächen gestrichen oder gedruckt werden können. Die Technologie beruht auf etwa 4 hm großen Nanokristallen, die in einer flüssigen Lösung suspendiert werden und wie eine Zeitung gedruckt werden können. Flüssige Nanokristall-Solarzellen sind zwar billiger herzustellen als Einkristall-Silizium-Wafer-Solarzellen, doch waren sie bislang bei weitem nicht so effizient. Dies ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, daß die organischen Liganden-Moleküle, die an die Nanokristalle angebracht werden, damit sie stabil bleiben und nicht verklumpen, die Kristalle auch isolieren, wodurch ihre elektrische Leitfähigkeit abnimmt.

Das Wissenschaftlerteam entdeckt nun einen synthetischen Liganden, der die Nanokristalle nicht nur stabilisiert, sondern auch winzige Brücken zwischen ihnen baut, um den elektrischen Strom zu übertragen. Damit gelingt es eine stabile Flüssigkeit herzustellen, die auch Strom leitet. Da die neue Oberflächenbeschichtung einen Prozeß mit relativ niedrigen Temperaturen verwendet, besteht das Potential, Solarzellen auf Kunststoff statt auf Glas zu drucken, ohne sich Sorgen über ein Schmelzen des Kunststoffs machen zu müssen. Um auf den toxischen Halbleiter Cadmiumselenid verzichten zu können, arbeiten die Forscher nun an der Entwicklung von Nanokristallen aus anderen Materialien.

Mai 2012: An der Stanford University arbeiten Xiaolin Zheng und ihr Team daran, Solarzellen und Batterien effizienter zu machen, indem sie Nanodrähte mit Ketten von Nanopartikeln ‚dekorieren’. Der Schritt hilft dabei, die katalytische und elektrische Leistung der Drähte zu verbessern, da die komplizierten Muster voller Ecken und Winkel die Gesamtfläche signifikant erhöhen. Einfacher und schneller als bisher werden die Nanodrähte in ein Lösungsmittel-Gel aus Metall und Salz getaucht, dann an der Luft getrocknet und anschließend kurz einer Flamme ausgesetzt. Die erzielten Leistungsverbesserungen werden als ‚dramatisch’ bezeichnet.

Juni 2012: Durch eine neue Art von texturierter Oberfläche wollen Forscher am MIT um Prof. Gang Chen die Kosten der PV-Technologie durch eine Verringerung der Dicke des Siliziums um mehr als 90 % senken – ohne dabei Abstriche an die hohe Effizienz machen zu müssen. Die Oberfläche besteht aus umgekehrten Nanopyramiden (inverted nanopyramids) in einer nur 10 Mikrometer dünnen Fläche aus kristallinem Silizium, wobei die Vertiefungen jeweils weniger als ein Mikrometer tief sind und damit zu einer Zunahme der Oberfläche um 70 % führen – und zu einer stark erhöhten Lichtabsorption.

Umgekehrte Nanopyramiden des MIT

Umgekehrte Nanopyramiden
(MIT)

Ebenfalls am MIT arbeitet Prof. Michael Strano inzwischen an der ‚weltweit ersten’ PV-Zelle, die komplett aus Kohlenstoff-Nanoröhren besteht und Sonnenenergie auch im nahen Infrarot-Bereich des Spektrums einfängt. Die neue Solarzelle ist eine Folge der jüngsten Fortschritte bei der großtechnischen Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhren und besteht aus C60-Fulleren, die auch als Buckminsterfullerene bekannt sind. Sie ist an der Luft stabil, weshalb sie keine Polymerschicht benötigt, um die Nanoröhrchen in Position halten. Außerdem erfordert die Zelle relativ geringe Mengen an hochreinem Kohlenstoff, was zu einem leichteren Endprodukt führt. Bislang wird zwar erst ein Wirkungsgrad von nur 0,1 % erreicht, doch die Forscher haben bereits einige der Quellen der Ineffizienz identifiziert und arbeiten nun an einer besseren Kontrolle der Form und Dicke der Materialschichten.

Juni 2012: Forscher der North Carolina State University um Linyou Cao entwickeln einen kostengünstigen Weg zur Herstellung ultradünner und effizienter Solarzellen. Diese bestehen aus einer aktiven Schicht aus amorphem Silizium, die nur 70 nm dick ist – im Vergleich zu den 300 nm bis 500 nm bei markttypischen Dünnschicht-Solarzellen. Zum Einsatz kommt ein sogenanntes nanoskaliges Sandwich-Design, bei dem mittels normaler Lithographietechniken ein Muster auf ein transparentes dielektrisches Substrat gelegt wird, welches das Substrat zu winzigen Strukturen im Bereich zwischen 200 und 300 nm Höhe formt, die im Querschnitt betrachtet Zinnen einer mittelalterlichen Burg ähneln. Als nächstes wird eine sehr dünne Schicht des aktiven Materials abgeschieden, das die Sonnenenergie in Strom umwandelt. Schließlich kommt über diese Schicht eine weitere Schicht des dielektrischen Materials, was zu der Dielektrikum/aktives Material/Dielektrikum-Sandwichstruktur führt. Die zinnenförmige Gestalt dieses Sandwich erlaubt es den beiden dielektrischen Schichten als hocheffiziente optische Antennen zu fungieren, welche die Solarenergie auf die Schicht aus aktivem Material fokussieren. Die Technik soll auch bei anderen aktiven Materialien, wie z.B. Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid sowie bei organischen Materialien einsetzbar sein.

August 2012: Ein Team der Bowling Green State University in Ohio um Mikhail Zamkov setzt synthetische Nanokristalle ein, um Sonnenzellen haltbarer zu machen – und um sie zu befähigen, Wasserstoff zu erzeugen. Dabei arbeiten die Wissenschaftler anstelle von organischen Molekülen, die aufgrund der beeinträchtigenden Auswirkungen von UV-Strahlung und Hitze eine Lebensdauer von nur etwa 20 Jahren haben, mit zwei sehr haltbaren anorganischen Nanokristallen aus Zinkselenid und Cadmiumsulfid, denen ein Platin-Katalysator zugesetzt ist. Beim Eintauchen in Wasser und Licht ausgesetzt, spaltet der stabförmige Cadmiumsulfid-Nanokristall Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Damit rücken Photovoltaik-Folien mit doppelter Funktion in die Nähe, die vollständig aus anorganischen Materialien bestehen – und die während des Tages nicht nur Energie erzeugen, sondern gleichzeitig auch Wasserstoff, um in der Nacht eine Brennstoffzelle zu betreiben.

Oktober 2012: Die University of Kansas meldet, daß Prof. Shenqiang Ren gemeinsam mit Kollegen vom MIT die weltweit effizienteste Photovoltaik-Zelle aus Nanokohlenstoffen produziert hat. Was allerdings nicht allzu viel ist, denn die neue Solarzelle aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen erreicht nur eine Effizienz von 1,3 % (bisher rechnete man mit einem Wirkungsgraddurchschnitt von weniger als 1 %). Um rentabel zu sein, müßte allerdings eine Effizienz von mindestens 10 % erreicht werden. Die theoretische Grenze für alle Kohlenstoff-PV-Zellen beträgt 13 %.

Oktober 2012: Ein Team der University of Texas in Dallas arbeitet ebenfalls an ultradünnen, flexiblen Solarzellen mit einer Stärke von nur einem Mikrometer. Zum Einsatz kommen genau positionierte nanometergroße Kristallpartikel (quantum dots), die zwischen Silizium-Nanomembranen von nur einem Zehntel Mikrometer Dicke geschichtet werden.

Nanoblume

Nanoblume

Oktober 2012: An der North Carolina State University wiederum experimentieren Forscher gemeinsam mit Kollegen des U.S. Army Research Office an sogenannten Nanoblumen aus preiswertem und ungiftigem Germaniumsulfid (GeS), welche Blütenblätter haben, die denen einer Geranie oder Ringelblume ähneln. Obwohl diese nur 20 - 30 nm dick sind, können sie viel mehr Licht einfangen bzw. Energie speichern als herkömmliche Systeme. Das Material könnte daher auch die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren erweitern.

Oktober 2012: Nun melden auch Wissenschaftler der Stanford University um Prof. Zhenan Bao und ihr Team, das sie die ‚weltweit erste’ vollständig aus Kohlenstoff bestehende Dünnschicht-Solarzelle hergestellt hätten. Dabei werden die im konventionellen Solarzellen als Elektroden genutzten Materialien Silber und Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch Graphen (ein Atom dicke Lagen aus Kohlenstoff) und einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren ersetzt, während die photoaktive Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Buckyballs gemacht wird (Kohlenstoffmoleküle mit einem Durchmesser von 1 nm). Der Wirkungsgrad liegt noch unterhalb von 1%.

Dezember 2012: Prof. Federico Capasso von der Harvard University entwickelt gemeinsam mit Kollegen vier weiterer Institutionen einen nahezu perfekten optischen Absorber. Durch die Beschichtung eines Stücks Saphir mit einer außerordentlich dünnen (180 nm) Schicht aus Vanadiumdioxid (VO2) gelingt es eine Oberfläche zu erzeugen, welche 99,75 % des Infrarotlichts bei einer Wellenlänge von 11,6 Mikron absorbiert.

Dezember 2012: Um möglichst viel Licht in Solarzellen zu Strom zu wandeln, dürfen die Paneele möglichst wenig spiegeln und sollen möglichst alles auftreffende Licht verwerten, was mit üblichen Beschichtungen bislang nur teilweise gelingt. Prof. Stephen Y. Chou und sein Team an der Princeton University entwickeln deshalb feinste Nano-Gitter aus Gold, deren Öffnungen, kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, die Sonnenstrahlen wie ein schwarzes Loch einfangen. Nur 30 nm hoch, mit Löchern von 175 nm Durchmesser zwischen 25 nm dünnen Stegen, ist das Gitter rund zehntausend Mal flacher als ein menschliches Haar. Mit der neuartigen nanostrukturierten Sandwichstruktur gelingt es, die Effizienz von organischen Solarzellen um 175 % zu erhöhen. Das Lochgitter-System wird PlaCSH genannt (Plasmonic Cavity with Subwavelength Hole-array). Im Experiment erreichen die PlaCSH-Solarzellen eine Absorption von bis zu 96 % in einem breiten Wellenlängenspektrum, und dies fast unabhängig vom Einfallswinkel.

Dezember 2012: Wissenschaftler der Duke University um Cristian Ciraci fabrizieren Nanowürfel aus Silber, welche die Fähigkeit haben, eine unglaubliche Menge an Licht zu absorbieren. Die Silber-Nanowürfel sind ein sogenanntes Meta-Material, also ein von Menschen geschaffenes Material mit speziellen Merkmalen, wie sie in natürlichen Materialien nicht vorhanden sind. Das neue Material besteht aus drei Hauptkomponenten: einer dünnen Goldschicht, die mit einer nano-dünnen Schicht eines Isolators beschichtet ist und dann mit Millionen von Nanowürfeln bestreut wird, die derzeit aus Silber gefertigt werden und sich selbständig auf der Oberfläche absetzen. Die Nanowürfel dienen dabei als winzige Antennen, welche die Reflexion der Metalloberfläche aufheben. Durch Variieren der Geometrie des Konstrukts können die Eigenschaften des Materials kontrolliert werden.

Absorbtionsversuche mit Nanowürfeln, die alle eine Kantenlänge von 74 Millionstel Millimetern hatten, belegen das kontrollierbare Verschlucken von Lichtwellen: Je dicker die Kunststofftrennschicht ist, desto mehr verschiebt sich das Maximum der Lichtabsorbtion zu größeren Wellenlängen. Allein über diesen Parameter lassen sich Absorberflächen fast für den gesamten sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bis hin zum Infraroten anpassen. In weiteren Versuchen soll nun das Potential von Nanowürfeln verschiedener Größe – jeweils kombiniert mit Trennschichten variabler Dicke – untersucht werden.

 

Anm.: Vertiefende Darstellungen zum Thema Nanotechnik in der Photovoltaik finden sich auf der Seite der Physikerin und Philosophin Dr. Annette Schlemm aus Jena (Link).


Organische Solarzellen (Polymer-Solarzellen)


Auf Folien gedruckte organische Solarzellen, die häufig auch als Polymer- bzw. Plastik-Solarzellen bezeichnen werden, bieten gegenüber der auf Silizium basierenden Technologie eine Reihe von Vorteilen, den niedrige Herstellungskosten, geringes Gewicht und die große Flexibilität der Module machen sie für den Einsatz in völlig neuen Bereichen des Solarenergiemarktes interessant. Ihrer kommerziellen Nutzung stand bisher vor allem der zu geringe Wirkungsgrad entgegen. Außerdem verrotten diese Zellen relativ schnell. Im englischen Sprachbereich werden diese Zellen oftmals pauschal organic photovoltaics (OPV) genannt.

Organische Solarzellen, manchmal auch als dritte Solar-Generation nach kristallinem Silizium und Dünnschicht-Solarzellen bezeichnet, können in zwei Kategorien eingeteilt werden: Zellen auf Polymer-Basis (große Moleküle) und Oligomer-basierte Zellen (kleine Moleküle). Die Plastiksolarzellen arbeiten mit Polymeren als photoaktive Elektronenspender - und Fulleren-Molekülbällen als Elektronenakzeptoren. Diese Kombination liegt zwischen einer transparenten Anode und einer Kathode, die häufig aus Aluminium besteht. Wenn Licht durch die transparente Elektrode dringt und die photonenabsorbierende Polymerschicht trifft, dann bilden sich sogenannte Exzitonen, d.h. elektrostatisch gebundene Zustände aus Elektron und Elektronenfehlstelle (‚Loch’), die sich trennen und in Kathode beziehungsweise Anode Strom erzeugen.

Anfang 2000 stellen Wissenschaftler der Universität Konstanz und der Bell Labotaries in Murray Hill (USA) ein neues Verfahren vor, mit dem der Wirkungsgrad von preisgünstigen Solarzellen aus Plastik erhöht werden kann. Dabei wird dem organischen Solarzellengrundmaterial und Halbleiter Pentacen sowohl Jod als auch Brom zugesetzt.

2004 gelingt Siemens-Forschern ein entscheidender Durchbruch im Bereich der organischen Photovoltaik: Der Wirkungsgrad von großflächig auf dünne, biegsame Folien gedruckten organischen Solarzellen kann erstmals von 3 % auf über 5 % gesteigert werden. Durch den nun erreichten Wirkungsgrad, der mittelfristig auf etwa 10 %  gesteigert werden soll, erwartet Siemens, erste Produkte mit dieser Technik bereits 2005 auf den Markt bringen zu können.

Die US-Firma TDA Research und die National Science Foundation informieren 2004 über die Entwicklung eines neuen stromleitenden Plastikmaterials namens Oligotron. Möglicherweise kann es auch als Trägermaterial für flexible Solarzellen genutzt werden.

Eine wichtige Motivation der technologischen Entwicklung ist leider noch immer der Krieg. Moderne Soldaten der US-Armee benötigen derzeit rund 240 Wattstunden pro Tag, um all ihre elektronischen Geräte aufzuladen. 2005 werden pro Jahr 150 Tonnen Batterien benötigt, um die Geräte der Soldaten (wie Nachtsichtgeräte, Laptops, Kommunikationsgeräte, GPS-Einheiten usw.) mit Strom zu versorgen. Die Soldaten tragen oft bis zu zwei Dutzend Ersatzbatterien mit sich herum und dürfen diese auch nicht wegwerfen, weil sich daran ihre Marschbewegungen feststellen ließen. Die US-Armee testet daher tragbare Batterie-Ladegeräte, Zelte und Sensorsysteme, die flexible Solarzellenstoffe enthalten, welche aufgerollt oder gefaltet werden können, um sie leicht zu verstauen. Die neuen Materialien geben den Soldaten eine größere Reichweite und sorgen dafür, daß sie selbstständiger agieren könnten.

Die US Army testet weiterhin Solarzelte, die zum Laden von Laptops, Satellitentelefonen, Licht und Lüftungstechnik verwendet werden. Sie werden von der Firma Iowa Thin Film Technologies hergestellt, die einen eigenen Laserschreibungsprozeß nutzt, um die Solarzellen in ein flexibles Plastiksubstrat zu integrieren. Der Gesamtvertrag beläuft sich auf 3,2 Mio. $. Das Unternehmen hat bereits drei verschiedene Zeltgrößen im Angebot – von 190 W bis zu 2 kW. Eine Stunde im vollen Sonnenlicht sorgt beim kleinsten Zelt namens Quadrant dafür, daß ein Laptop fünf Stunden oder ein Handy 24 Stunden lang betrieben werden kann.

Im Rahmen dieses Interesses erhält im Mai 2005 die als Spin-off der University of Massachusetts Lowell 2001 gegründete Firma Konarka Technologies Inc. einen Auftrag der Army in Höhe von 1,6 Mio. $ für solarbetriebene Batterieladegeräte. Im Mittelpunkt der Konarka-Technologie steht ein photovoltaisches Kunststoffpolymer, das Konarkas Mitgründer und Nobelpreisträger Dr. Alan Heeger erfunden hat. Das patentrechtlich geschützte Material basiert auf Nanotechnologie und kann ausgedruckt oder unter Verwendung einer Rolle-zu-Rolle-Fertigung kostengünstig auf flexible Substrate beschichtet werden. Das Power Plastic genannte Resultat läßt sich dann in eine breite Palette von Endprodukten einbauen. Die Prototypen erzeugen ausgerollt ungefähr 6 W.

Das Unternehmen – dessen Name auf den Konarka Temple im indischen Orissa zurückgeht, der dem hinduistischen Sonnengott Surya geweiht ist – hatte im August 2001 mit einer 0,8 Mio. $ Finanzierung durch Zero Stage Capital begonnen. Ein Jahr später erwirbt es vom EPFL eine Lizenz für Farbstoff-Solarzellen und kann bei einer Finanzierungsrunde B im September 2002 von Investoren wie Draper Fisher Jurvetson schon 14 Mio. $ einnehmen. Weitere 1,5 Mio. $ gibt es im Dezember vom Massachusetts Renewable Energy Trust. Im Februar 2003 übernimmt Konarka die Quantum Solar Energy Linz (QSEL), etabliert im Mai eine Partnerschaft mit Eastman, und im September eine mit der Electricité de France.

Im Februar 2004 wird die Lizenz einer organischen PV-Technologie von DuPont – und Mitte des Jahres ein Universitätspatent von der schwedischen Chalmers University of Technology erworben, das die Grundlage zur weiteren Entwicklung von Photovoltaik-Produkten auf Polymerbasis bildet. Im Juni startet Konarka eine roll-to-roll Pilotlinie mit einer Jahreskapazität von etwa 1 MW, und erhält im gleichen Monat eine Forschungszuschuß der DARPA in Höhe von 1,14 Mio. $.Im September bringt eine von New Enterprise Associates angeführte Finanzierungsrunde C 18 Mio. $ ein – und das Unternehmen übernimmt die Forschungsaktivitäten von Siemens im Bereich der organischen Solarzellen.

Konarka OPV-Paneele

Konarka OPV-Paneele

Im Februar 2005 erhält Konarka einen Forschungszuschuß der Europäischen Union in Höhe von 868.000 $ - gefolgt von einem weiteren in Höhe von 1,4 Mio. $ im April. Im gleichen Monat wird in Nürnberg eine neue Operationszentrale eröffnet. Im Mai gibt es 7 Mio. $ durch eine Venture-Fremdfinanzierung D von Lighthouse Capital Partners, sowie den oben bereits erwähnten Vertrag der US Army. In dessen Rahmen entwickelt Konarka auch ein Material, das zusätzlich Sensoren enthalten soll, die etwa Positionsdaten überwachen. Die Plastikmatte mit Solarmaterial kann außerdem Bewegungs- und Geräuschmelder enthalten, deren Signale drahtlos an die Soldaten übertragen werden. Konarkas Materialien lassen sich färben und in Stoffe einnähen, womit die Solartechnik in Zukunft auch in den Uniformen stecken kann, wie das Unternehmen meint: „Die nächste Generation tragbarer Computer wird mit Energie versorgt, die in der Kleidung produziert wird.“ Im folgenden werde ich die weitere Entwicklung dieser Firma, die zu diesem Zeitpunkt als das weltweit führende Unternehmen im Bereich der organischen Photovoltaik-Technologie gilt, so kurz es geht zusammenfassen... auch wenn es sich wieder einmal um eine Geschichte mit traurigem Ausgang handelt.

Im Februar 2006 werden die ersten Produkte an die US Army und US Air Force ausgeliefert, parallel zu einer Finanzierungsrunde E, die von 3i Ventures angeführt 20 Mio. $ einbringt. Im März gibt es 0,5 Mio. $ von der National Science Foundation, und im Juni lizenziert Konarka seine Farbstoff-Zellen-Technologie an die britische G24 Innovations in Cardiff, Wales. Im Januar 2007 gibt es einen weiteren Forschungszuschuß der EU in Höhe von 2,3 Mio. $, im März von Seiten der Solar America Initiative des DOE 3,6 Mio. $ im Rahmen einer Partnerschaft mit dem NREL und der University of Delaware, und im August noch einmal 0,5 Mio. $ durch die National Science Foundation. Die Finanzierungsrunde F im Oktober spült 45 Mio. $ in die Kasse des Unternehmens, Hauptinvestor ist die Mackensie Financial Corporation, und eine Partnerschaft mit Air Products und United Technologies wird mit einer 4,7 Mio. $ Forschungsförderung aus dem NIST Advanced Technology Program honoriert.

Im März 2008 zeigt Konarka erstmals Solarzellen, die mit einem Tintenstrahldruck-Verfahren (Inkjet) gedruckt worden sind. Zum Einsatz kam dabei ein Cartridge-basierter Dimatix Materials Printer (DMP) von FUJIFILM. Das Unternehmen ist zu diesem Zeitpunkt eines der am besten finanzierten Start-ups in der Region und hat bislang eine Gesamtsumme von 105 Mio. $ von seinen Investoren eingenommen. Im September übernimmt Konarka die exklusive Lizenz für eine neue Familie photoaktiver Polymere namens Polycarbazole (PCZ), die dem Unternehmen helfen sollen, höhere Zellenwirkungsgrade zu erreichen. Die neue Polymer-Familie ist von Prof. Mario Leclerc an der Université Laval in Québec entwickelt worden, mit der Konarka seit vier Jahren zusammenarbeitet.

Im Oktober 2008 eröffnet Konarka in der Nähe von New Bedford, Massachusetts, die weltgrößte Rolle-zu-Rolle Dünnschicht-Produktionsanlage mit einer Nennkapazität von 1 GW, was einer Zellenfläche von mehr als 10 Mio. m2 pro Jahr entspricht. Oder anders gesagt: Bei voller Produktion, die in 2 – 3 Jahren erreicht werden soll, entstehen hier in jedem Jahr Zellen die so viel Strom produzieren können wie ein großes Atomkraftwerk. Auch der Wirkungsgrad ist ziemlich ähnlich: Sowohl Konarkas Zellen als auch KKWs erreichen eine Effizienz zwischen 3 % und 5 %. Wobei es aber nicht lange bleibt.

Im November gibt das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bekannt, daß es ein Konsortium zur Entwicklung innovativer polymerer Solarzellen für autonome Systeme über 4 Jahre mit ca. 8 Mio. € unterstützen wird. Neben Konarka sind die Merck KGaA, die SCHOTT Solar AG, die VARTA Microbattery GmbH, Institute der Universitäten Ilmenau, Karlsruhe und Oldenburg sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung in Stuttgart beteiligt. Einen Monat später folgt eine BMBF-Förderung von knapp 2,5 Mio. € über die nächsten drei Jahre, bei der ein von Konarka geleitetes Konsortium eine deutliche Steigerung der Lebensdauer der organischen Solarzellen erreichen soll (Projekt OPV Stabilität). Im gleichen Monat kündigt das Unternehmen eine strategische Zusammenarbeit mit dem französischen Öl- und Gasgiganten Total SA an – die mit einer Investition in Höhe von 45 Mio. $ verbunden ist, für die Total etwas weniger als 20 % der Unternehmensanteile erhält.

Im Februar 2009 erhält Konarka ein langfristiges Darlehen von der Massachusetts Development Finance Agency und dem Massachusetts Renewable Energy Trust in Höhe von 5 Mio. $ zur Finanzierung der Produktion und zur Schaffung von Arbeitsplätzen in dem Staat.

Erstmals wird im Mai 2009 eine Zahl offiziell bekannt gegeben: Das National Energy Renewable Laboratory (NREL) zertifiziert Konarkas organischen Solarzellen einen Rekord-Wirkungsgrad von 6,4 %. Im September kündigt die Firma die Verfügbarkeit von Solarpaneelen für tragbare Aufladungs-Anwendungen an, die in Form von Solarschirmen und Taschen umgesetzt werden, mit denen z.B. Handys aufgeladen werden können – und im November wird gemeinsam mit der Arch Aluminum & Glass ein einzigartiges Solarfassaden-Pilotprojekt gestartet.

Konarka-Fassade

Konarka-Fassade

Im Januar 2010 bringt eine weitere Finanzierungsrunde 23,8 Mio. $ von Investoren wie Draper Fisher Jurvetson, Good Energies und 3i Ventures ein, und im März wird eine geschäftliche Zusammenarbeit und eine strategisches Investment mit Konica Minolta bekannt gegeben, die für 20 Mio. $ einen Anteil von 7,5 % an Konarka übernehmen. Es ist geplant, im Jahr 2013 in Japan mit der gemeinsamen Produktion zu beginnen, und im Jahr 2018 will Konica Minolta bereits einen Umsatz von 50 Mrd. Yen (~ 561 Mio. $) erzielen. Im November 2010 kann das NREL mit 8,3 % einen weiteren Weltrekord verkünden.

Im Juni 2011 meldet Konarka seine bislang größte OPV-Installation sowie erste Halbtransparente BIPV-Fassaden. Im September wird ein gemeinsames Entwicklungsabkommen mit ThyssenKrupp Steel Europe beschlossen, kurz darauf gefolgt von einer Kooperationsvereinbarung mit dem international tätigen Automobilzulieferer Webasto zur Integration organischer Solarzellen in automobile Dachsysteme.

Im Januar 2012 bestätigt das Newport Corporation TAC-PV Lab den Plastik-Solarzellen von Konarka einen Wirkungsgradrekord von 8,8 % - der nur einen Monat später auf 9 % gesteigert wird. Doch schon im Juni muß das Unternehmen Konkurs anmelden und will seine Vermögenswerte zu liquidieren, um seine Gläubiger auszuzahlen: „Konarka ist es nicht gelungen, zusätzliche Finanzierung zu erhalten, und die aktuelle finanzielle Verfassung erlaubt es nicht, mit dem Geschäftsbetrieb fortzufahren. Dies ist eine Tragödie für Konarkas Aktionäre und Mitarbeiter und für die Entwicklung der alternativen Energien in den Vereinigten Staaten“ – so einer der Vorstandsvorsitzenden des Unternehmens. Das unabhängige Marktforschungs- und Beratungsunternehmen Lux Research meint allerdings, daß Konarkas Konkurs nicht nur durch die fallenden Kosten für Silizium und durch billige Module und Paneele aus China verursacht wurde. Die Technologie des Unternehmens sei jedoch schwach gewesen und hätte bei Kosten, Effizienz oder Lebensdauer nicht mit anderen Produkten konkurrieren können. Im Oktober wird dann bekannt, daß das Solar-Unternehmen Belectric Holding GmbH die deutsche Konorka-Gesellschaft (Konarka Technologies GmbH) übernimmt. Die erfolgreich begonnene Arbeit im Bereich innovativer Photovoltaik-Technologie am Standort Nürnberg soll unter dem Namen Belectric OPV GmbH fortgesetzt werden. Dazu zählt die Forschung, Entwicklung und Produktion sowie der internationale Vertrieb der gedruckten PV-Zellen. Die ersten Umsätze werden im 2. Halbjahr 2013 erwartet.


Eine zweite Firma, die sich im OVP-Bereich einen Namen gemacht hat, ist die im Jahr 2006 im kalifornischen El Monte gegründete Solarmer Energy Inc., die eine flexibele und transluzente Low-Cost-OPV-Technologie vermarkten soll, die von Prof. Yang Yang an der University of California Los Angeles (UCLA) entwickelt worden ist und schon im Vorjahr eine vom NREL bestätigte Effizient von 4,4 % erreicht hatte. Solarmer (eine Kombination aus Solar und Polymer) investiert 1,5 Mio. $ in die Installation von Rolle-zu-Rolle-Produktionsausrüstungen mit einem nominalen jährlichen Output von 3 MW, um eine skalierbares und kosteneffizientes Verfahren zur Massenherstellung von OPVs zu entwickeln.

Das Unternehmen bezeichnet sich selbstsicher als ein weltweit führendes Unternehmen bei der Entwicklung der organischen Photovoltaik mit einem Portfolio aus weltweit mehr als 30 Patenten und Anmeldungen, während das Werkstoffe-Portfolio mehr als 100 neue Polymere umfaßt. Die Modulfertigung der Firma basiert auf einem schnellen und einfachen Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit niedrigem Energieverbrauch.

Im Mai 2007 wird Solarmer von der AMREL American Reliance Inc. übernommen, arbeitet aber unter bisherigem Namen weiter. Das Unternehmen will den kommerziellen Prototyp einer 50 cm2 großen Zelle entwickeln, die einen Wirkungsgrad von 8 % erreichen und eine ‚Halbwertszeit’ von mindestens drei Jahren haben soll. Mit 100 cm2 großen kommerziellen Paneelen will man auf 6,2 % kommen.

Es bestehen enge Partnerschaften mit Universitäten wie der UCLA und der University of Chicago, die Solarmer im September 2008 die Lizenz für ein dort von Prof. Luping Yu und Doktorand Yongye Liang entwickeltes halbleitendes Material namens PTB1 erteilt, das Licht in Strom wandelt. Die aktive Schicht aus PTB1 ist nur 100 Nanometer dick, was der Breite von ca. 1.000 Atomen entspricht, doch das Synthetisieren von bereits geringen Mengen des Materials ist ein zeitaufwendiges, mehrstufiges Verfahren. Mit drei anderen, ungenannten Materialen sei bereits ein Wirkungsgrad über 5 % erreicht worden – während Yangs Team im November eine Zelleneffizienz im Labor von 5,6 % meldet. Im Dezember setzt sich Solarmer mit 6 % wieder an die Spitze.

Im Jahr 2009 gründet Solarmer eine hundertprozentige Tochtergesellschaft in China namens Solarmer Energy (Beijing) Inc. – im April wird ein Zellenwirkungsgrad von 6,31 % bekannt gegeben und im Juni ein Paneel-Wirkungsgrad von 3,86 % (200 cm2) – im August folgt ein 0,45 Mio. $ Vertrag mit der Firma FlexTech Alliance, um Donorpolymer-Materialien hoher Effizienz für den Einsatz in der organischen Photovoltaik zu entwerfen und zu synthetisieren – und im Dezember zertifiziert das NREL den Plastik-Solarzellen von Solarmer eine Effizienz von 7,9 %. Das Unternehmen demonstriert seine Kunststoff-Solarzellen in einer Solar-Umhängetasche, einem GPS-Navigationssystem und einem Handy. Auf den Markt kommen will man allerdings erst 2011.

Solarmer/Joel-Glas

Solarmer/Joel-Glas

Um aus modularen Glasscheiben mit unterschiedlichen Texturen und attraktivem Design Solarenergie zu erzeugen, startet Solarmer im April 2010 ein gemeinsames Entwicklungsprojekt mit Joel Berman Glass Studios aus Vancouver, Kanada. Im Juni beginnen beim NREL Lebensdauer-Tests unter simulierten solaren Bedingungen, und im Juli gibt das Unternehmen bekannt, daß seine Zellen inzwischen bei einem Wirkungsgrad von 8,13 % angelangt sind. Nun wird die Latte hochgehängt: „Unser nächstes Ziel ist es, bis Ende 2011 einen Wirkungsgrad von 10 % zu erreichen.

Tatsächlich hört man dann aber anderthalb Jahre nichts mehr aus dem Unternehmen, bis im Januar 2012 die Meldung durch die Presse geht, daß Solarmers organische Solarzellen inzwischen eine Effizienz von fast 8,5 % erzielen. Im August ist dann zu erfahren, daß sich Solarmer eine gemeinsam mit der Firma Phillips 66 und der South China University of Technology entwickelte Polymer-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 9,31 % hat zertifizieren lassen. Das Unternehmen konzentriert sich nun auf seine Fertigungstechnik mit dem Ziel, die ersten OPV-Produkte im Jahr 2013 ausliefern zu können. Dabei soll die Herstellung der Solarzellen ab 2014 weniger als 1 $/W kosten.


Und noch eine dritte OPV-Firma wird 2006 gegründet: Die Heliatek GmbH ist eine gemeinsame Ausgründung der TU Dresden (IAPP) und der Universität Ulm, bei der international anerkannte Expertise im Bereich der organischen Optoelektronik und der organischen Oligomer-Synthese zusammengeführt wird. Mit einer Seedfinanzierung von 0,5 Mio. € beteiligt sich der High-Tech Gründerfonds an dem Unternehmen, weitere 100.000 kommen von der Industrieberatung Dr. h.c. Harald Eggers.

Das Unternehmen, das Mitte 2007 seine erste Finanzierungsrunde mit den Investoren Bosch und BASF Venture Capital (jeweils 1,6 Mio. €) sowie Wellington Partners durchführt, bezeichnet sich als weltweiter Technologieführer im Bereich der organischen Photovoltaik auf Basis sogenannter kleiner Moleküle. Heliatek setzt als einzige Firma weltweit auf die Abscheidung kleiner Moleküle mittels eines Niedrigtemperaturprozesses, wie er sich bei OLEDs bereits am Markt durchgesetzt hat. Die Moleküle, die das Licht einfangen und in Strom umwandeln, werden im Hause selbst entwickelt und synthetisiert.

Bereits im Frühjahr 2008 kann Heliatek demonstrieren, daß seine OPV-Zellen eine (extrapolierete) Lebensdauer von 20 Jahren erreichen, und schon im Spätsommer eine Triple-Zelle mit einer Effizienz von 5 % vorstellen. Mitte 2009 bestätigt das NREL einer 2 cm2 großen Heliatek-Zelle einen Wirkungsgrad von 5,9 %, und im November nimmt die Firma bei einer zweiten Finanzierungsrunde 18 Mio. € ein (Wellington Partners, RWE Innogy Ventures, eCAPITAL entrepreneurial Partners AG, Technologiegründerfond Sachsen und GP Bullhound Sidecar). Damit soll in Dresden eine erste Produktionsanlage für organische Solarzellen aufgebaut werden, welche eine Vakuum-Technologie nutzt, um das leitfähige Material auf dem Filmsubstrat abzuscheiden.

Heliatek-Laborzelle

Heliatek-Laborzelle

Etwa im März 2010 bestätigt das Fraunhofer ISE, daß eine 1,1 cm2 große Polymer-Zelle einen Wirkungsgrad von 7,1 % erreicht - der bis zum Jahresende auf sogar 8,3 % angehoben werden kann, ein weiterer Weltrekord. Durch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten gelingt es bis Ende des Folgejahres 2011 den Zellwirkungsgrad auf 9,8 % zu steigern. Im Februar 2012 wird mit der RECKLI GmbH, einem weltweit führenden Hersteller von elastischen Matrizen für Beton, eine Entwicklungsvereinbarung geschlossen um flexible organische Solarmodule direkt in Betonfassaden zu integrieren. Im März folgt die Einweihung der ersten Fertigungslinie in Dresden, in deren Errichtung das Unternehmen rund 14 Mio. € investiert hat.

Im April 2012 erhält der Wissenschaftler Jan Meiß auf der Hannover Messe den Nachwuchspreis ‚Green Photonics’. In seiner Doktorarbeit entwickelte er gemeinsam mit der Heliatek und dem Fraunhofer IPMS-COMEDD neue Konzepte für transparente organische Solarzellen mit hoher Effizienz, u.a. ressourcensparende, preisgünstige und leicht zu verarbeitende Alternativen zu den herkömmlichen leitenden Kontaktschichten wie Indium-Zinn-Oxid. Durch einen optimalen Schichtaufbau gelingt es ihm eine organische Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 4,9 % und einer Transmission von 20 % herzustellen, was bedeutet, daß ein Fünftel des eingestrahlten Lichtes komplett durch die organische Solarzelle hindurchgeht. Dieser Wirkungsgrad für transparente Solarzellen ist zu diesem Zeitpunkt unübertroffen.

Auch Heliatek selbst kann einen Monat später einen neuen Weltrekord melden: Die organischen Tandemzellen erreichen eine durch das Prüfungsinstitut SGS zertifizierte Effizienz von 10,7 %. Die Meßergebnisse bei geringer Einstrahlung zeigen, daß die Effizienz mit abnehmendem Licht sogar kontinuierlich ansteigt, außerdem bestätigten Messungen bei hohen Temperaturen, daß die Effizienz bis 80°C voll erhalten bleibt. Dies ist einzigartig für die OPV-Technologie, da bei allen traditionellen Solartechnologien die Effizienz bei erhöhten Temperaturen um bis zu 20 % sinkt.

Zeitgleich fährt Heliatek seine erste Rolle-zu-Rolle Fertigungslinie ein, deren offizieller Produktionsstart für das dritte Quartal 2012 geplant ist. Außerdem startet die Firma eine dritte Finanzierungsrunde, um weitere 60 Mio. € einzuwerben und damit eine weitere Rolle-zu-Rolle Anlage mit einem jährlichen Produktionsvolumen von 75 MW zu errichten. Im August gibt die Heliatek bekannt, daß ihre transparenten Solarfolien in Isolierglasfenster integriert werden können, die ersten Folien aus der Fertigungslinie werden bereits für Projekte im Bereich Betonfassaden sowie für Pilotprojekte und Prototypenbau mit Heliateks Partnern verwendet.

Anmerkung: Das Thema der Small-molecule organic cells verdient im Grunde eine eigene Analyse, die ich aus Zeitgründen jedoch auf einen späteren Zeitpunkt verschieben muß.


Doch nun zurück zur allgemeinen Chronologie ab Anfang 2006:

Die Global Photonic Energy Corp. in Ewing, New Jersey, arbeitet 2006 gemeinsam mit Partnern an der University of Southern California (USC), der Princeton University und der University of Michigan an neuen Materialien, um den Wirkungsgrad organischer Solarzellen stark anzuheben. Man nutzt dabei das überall vorhandene Element Kohlenstoff, das auch die Produktionskosten extrem senken könnte. Die Forscher fokussieren sich auf kleine, organische Moleküle, die sich leicht auf die verschiedensten Oberflächen applizieren lassen und eine kontinuierliche Produktion (roll-to-roll) erlauben.

Die Unternehmen BASF, Bosch, Merck und Schott gründen Ende Juni 2007 die vom Bundesforschungsministerium mit 60 Mio. € unterstützte Forschungsinitiative ‚Organische Photovoltaik’ (OPV). Die Industriepartner werden in den kommenden Jahren 300 Mio. € in die Marktreife der auf Kunststoffen basierenden organischen Kollektoren investieren, die – so dünn wie eine Klarsichthülle – gebogen, gerollt oder geknickt werden können. Als Zielvision soll dann Mitte des nächsten Jahrzehnts der Maintower in der Bankmetropole Frankfurt zu einem Solarstromkraftwerk umgewandelt werden, indem die 2.550 Fenster mit entsprechenden Folien beschichtet werden. Bis dahin muß der Wirkungsgrad allerdings von derzeit 5 % auf mindestes 10 % angehoben werden und eine Haltbarkeit von mehr als 20 Jahren gesichert sein. Die Kosten sollen dann weniger als 100 € pro Quadratmeter betragen.

Ein Team von Wissenschaftlern der Northwestern University stellt im Februar 2008 eine neue Möglichkeit vor, organische Solarzellen effizienter zu machen. Hierzu entwickeln sie ein lasergestütztes Verfahren, das die Anode der Zelle mit einer 5 bis 10 nm dicken Nickeloxidschicht ummantelt. Diese nicht-korrodierende und verhältnismäßig billige Ummantelung ist ein ausgezeichneter Leiter und gleichzeitig ein effizienter ‚Blocker’, der Elektronen daran hindert, sich zur falschen Elektrode hinzubewegen. Damit gelingt es, die Effizienz der Plastiksolarzellen auf bis zu 5,6 % zu steigern.

Im März 2008 berichten Forscher aus den USA und Österreich um Alan J. Heeger, der an der University of California in Santa Barbara forscht und im Jahr 2000 für seine bahnbrechenden Forschungen über leitfähige Polymere mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, daß sie einen Weg gefunden haben, um die Nano-Morphologie zu kontrollieren und die Leistung der organischen Solarzellen zu optimieren. Dies gelingt ihnen durch das Hinzufügen einer Klasse von Chemikalien, den sogenannten Thioalkoholen (alkanedithiols), mit deren Hilfe sie einen Wirkungsgrad von 5,1 % erreichen. Im April 2009 werden dann schon 6,1 % erzielt.

Andrea Liscio vom Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività - Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Bologna, Italien, stellt im Mai 2008 seine Forschungen vor, bei denen die Kombination einer Kelvin-Sonde mit einem Rasterkraftmikroskop eingesetzt wird (Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM) um Materialien zu analysieren und ihre elektrischen Eigenschaften mit nanoskopischen Details zu kartieren. Eines der Ziele dabei sind effiziente und kostengünstige Kunststoff-Solarzellen. Unterstützt wird die Forschung von der European Science Foundation (ESF) durch das EUROCORES-Programm SONS 2 (Self-Organised NanoStructures).

Im Juni 2008 startet an der Stanford University das Center for Advanced Molecular Photovoltaics (CAMP), das für die nächsten 5 Jahre durch einen 25 Mio. $ Zuschuß der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) finanziert wird. Beteiligt sind 16 Hauptforscher aus Stanford, von der UC Berkeley, der University of Southern California (USC), dem GeorgiaTech und der EPFL. Die industriellen Partner des Centers sind: Applied Materials, Bosch, GPEC, Solvay, Southwall Technologies, SpectraWatt und Unidym. CAMPs Forschungsaktivitäten umfassen Polymer-Solarzellen, klein-molekulare Polymer-Solarzellen (im Nanobereich) sowie Farbstoff-sensibilisierte molekulare Zellen.

Während die heutigen besten molekularen Solarzellen Wirkungsgrade bis zu 6,5 % erreichen und im Sonnenlicht eine Lebensdauer von ca. 1 Jahr haben, will man bei CAMP die Effizienz auf mindestens 15 % erhöhen und die Zellen für 10 Jahre oder mehr stabil machen. Darüber hinaus sollen preiswerte Fertigungs- und Produktionstechnologien entwickelt werden.

Ab August 2008 mit dabei ist auch die bereits 1994 von Sherwin I. Seligsohn in Medford Lakes, New Jersesy, gegründete Firma Global Photonic Energy Corp. (GPEC), die sich bei der Entwicklung nachhaltiger molekularer organischer Photovoltaik-Technologien als weltweit führend bezeichnet – mit mehr als 425 erteilten und angemeldeten Patenten. Das Unternehmen hat Forschungs-Partnerschaften mit der USC, der University of Michigan, der Princeton University und der Dankook University in Südkorea. Unter den angekündigten Produkten finden sich auch eine PowerPaint genannte Technologie (s.u. Solarzellen-Farbe) sowie eine ClearPower Technologie zur Solarenergieerzeugung aus praktisch transparenten Fenstern. Die jüngste Meldung der Firma stammt vom Dezember 2012 – allerdings scheint man noch immer nicht mit der Produktion begonnen zu haben.

Im August 2008 melden Wissenschaftler der South Dakota State University (SDSU) um Prof. Qiquan Qiao, daß sie an einer neuen Zellen-Technologie arbeiten, die auf Kohlenstoff-basierenden Polymeren und Molekülen beruht, um neue Materialien mit variablen Bandlücken zu finden. Durch die Synthese andersgearteter Polymere als bisher, einschließlich Sorten mit hoher, mittlerer und niedriger Bandlücke, sollen Zellen entwickelt werden, die das gesamte Spektrum des Sonnenlichts absorbieren können. Multi-Junction-Solarzellen aus Polymeren würden aus mehreren Schichten von Polymer/Fulleren-Filmen bestehen, die darauf abgestimmt sind, unterschiedliche Spektralbereiche der Sonnenenergie aufzunehmen, vom ultravioletten über das sichtbare bis hin zum infraroten Licht. Die Forschungen werden u.a. von der National Science Foundation finanziert. Qiao ist auch einer von rund 40 Dozenten der SDSU, der South Dakota School of Mines and Technology und der University of South Dakota, die zusammen die Initiative Photo Aktive Nanoscale Systems (PANS) bilden, deren primärer Zweck die Entwicklung der Photovoltaik ist.

An Hybriden, welche die gesamte Energie im Sonnenlicht absorbieren, arbeitet auch Prof. Malcolm Chisolm von der Ohio State University zusammen mit seinem Team. Hierzu kombinieren die Forscher elektrisch leitfähige Kunststoffe mit Metallen, einschließlich Molybdän und Titan. Um das Hybrid-Material zu entwerfen, erkunden die Chemiker verschiedene molekulare Konfigurationen auf einem Hochleistungsrechner am Ohio Supercomputer Center. Gemeinsam mit Kollegen der National Taiwan University werden die Moleküle des neuen Materials anschließend in einer flüssigen Lösung synthetisiert und durchgemessen. Auch dieses Projekt wird von der National Science Foundation sowie dem Institute for Materials Research des Bundesstaates Ohio finanziert.

Ein Team der University of California, Los Angeles (UCLA) entwickelt ebenfalls ein neues Polymer mit größerer Absorptions- und Umwandlungsfähigkeit als bisher. Der Schlüssel zu der erhöhten Leistungsfähigkeit ist die Substitution eines Siliziumatoms durch ein Kohlenstoffatom in der Hauptkette des Polymers, wodurch ein Wirkungsgrad von 5,6 % erreicht wird.

Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung forscht der Nachwuchswissenschaftler Dr. Frédéric Laquai an organischen Solarzellen, die aus einer Mischung kleiner Farbstoffmoleküle und Polymeren bestehen. Da die organischen Solarzellen für eine kommerzielle Nutzung noch nicht effizient genug und die organischen Materialien langfristig auch noch nicht stabil genug sind, soll Laquais Gruppe die grundlegenden photophysikalischen Prozesse und die bisherigen Schwachpunkte dieser Solarzellenart untersuchen. Ende 2010 erhält Laquai den Walter Kalkhof-Rose-Gedächtnispreis. Die seit 1995 vergebene Ehrung geht alle zwei Jahre abwechselnd an herausragende Nachwuchsforscher der Natur- und Geisteswissenschaften.

Zeitgleich verlautet ebenfalls im August 2008, daß die Mitsubishi Chemical Corp. ein großes ,Projekt PV’ gestartet habe, dessen Schwerpunkt organische Lösungen aus kleinen Molekülen sind, mit denen flexible Substrate beschichtet werden sollen. Mitsubishi hat bereits eine einzigartige Technologie für ein Material entwickelt, das einfach beschichtet und dann wärmebehandelt werden kann, ohne die Notwendigkeit einer teuren Vakuumabscheidung. Als p-Typ-Halbleiter wird Tetrabenzoporphyrin, und für den n-Typ transparente leitfähige Fullerene verwendet, mit denen derzeit eine Effizienz von etwa 3,4 % erreicht wird. Bis 2010 soll diese auf 7 % gesteigert werden, wobei das Unternehmen hofft, mit einer Tandem-Struktur schließlich vielleicht auf die doppelte Effizienz zu kommen.

Tatsächlich meldet Mitsubishi Mitte 2009, daß man gemeinsam mit dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Firma Tokki Corp. ein neues, hochintegriertes organisches PV-Modul entwickelt habe, das die Laser-Scribing-Technologie auf einem Glassubstrat nutzt. Dabei werden organische Halbleitermaterialien auf dem Substrat abgeschieden und anschließend mit einem Laser in mehrere Zellen aufgeteilt. Nähere Details werden nicht mitgeteilt.

USF-Minizelle

USF-Minizelle

Im November 2008 berichtet die Presse, daß an der University of South Florida (USF) Forscher um Xiaomei Jiang und ihre Kollegen eines der kleinsten Solarenergiesysteme der Welt entwickelt worden sei. Dabei wurden 20 Solarzellen aus organischen Polymeren, von denen jede nur 1 mm2 groß ist, zu einem 2,2 cm2 großen Array zusammengeschaltet. Das System soll einen mikroskopischen Sensor aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Energie versorgen, der gefährliche Gase und giftige Stoffe erkennen kann. Das Mini-Solarkraftwerk erzeugt im Laborbetrieb eine Spannung von 7,8 V, die noch auf 15 V erhöht werden muß, bevor sie den Miniatursensor betreiben kann. Künftig könnten die winzigen Solarzellen auf Oberflächen aufgesprüht werden, und langfristig werden sogar Arrays mit einer Schichtdicke von nur 0,01 mm2 für möglich gehalten. Die US Army ist ein wichtiger Sponsor des Projekts.

Forscher der Firma IBM und der Harvard University wollen gemeinsam billige, flexible und effiziente Kunststoff-Solarzellen entwickeln – und begründen das Clean Energy Project, das kleine Mengen an freiwillig gespendeter Rechenleistung für die Berechnung von neuen Materialkombination verwendet. Das Projekt wird IBM’s World Community Grid nutzen – ein großes Netzwerk von freiwillig zusammengeschalteten Computern mit einer gemeinsamen Rechenleistung, die das Netz auf den Rang eines der Top-Ten-Supercomputer der Welt heben. Das im Hintergrund laufende Programm soll in den nächsten zwei Jahren über 1 Million Konfigurationen der Atome verarbeiten.

Ebenfalls im November 2008 beginnt das dreijährige EU Projekt DEPHOTEX (Development of Photovoltaic Textiles based on novel Fibres), das sich mit der Entwicklung von textilbasierten Solarzellen beschäftigte und bei dem zwei Typen von Solarzellen untersucht werden: Organische Solarzellen (OSC) und Farbstoff-Solarzellen (DSSC). Ziel ist es, PV-Elemente in Gegenstände des täglichen Lebens und insbesondere in textile Materialien wie Markisen, Zelte, LKW-Planen, Segel usw. zu integrieren. Die Forschungen basieren auf früheren Arbeiten des Deutschen Textilforschungszentrums Nord-West (DTNW) an der Universität Duisburg Essen. An dem neuen Projekt sind neben dem DTNW weitere 13 Partner aus 7 europäischen Nationen beteiligt.

Ein Team japanischer Forscher um Takuzo Aida von der Universität Tokio und Masaki Takata vom RIKEN SPring-8 Center in Harima entwickelt Flüssigkristalle, die sich spontan versammeln, um ein Donator/Akzeptor-Gitter zu bilden. Organische Solarzellen enthalten sowohl Elektronen-Donatoren (Elektronenspender), welche ein Elektron freisetzen wenn sie bestrahlt werden, als auch Elektronen-Akzeptoren, welche die Schaltung vervollständigen, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die hierbei genutzten typischen Mischungen haben jedoch die Tendenz, wechselnde Stapel zu bilden, was zu einer geringeren Effizienz führt. Die neu konzipierten Moleküle haben an einem Ende ein Fulleren – den Elektronenakzeptor –, und am anderen Ende Thiophen-Oligomer als Elektronendonor. Dann werden ein hydrophober (wasserabweisender) Schwanz an dem Donor-Ende befestigt, und ein hydrophiler (Wasser-liebender) Schwanz am Ende mit dem Akzeptor. Dies sorgt dafür, daß sich die Moleküle des Flüssigkristalls zu Schichten von Donatoren und Akzeptoren anordnen, was wiederum zu einem effizienten Photovoltaik-Verhalten führt. Die Eigenschaft als Flüssigkeit ist ebenso nützlich, der Zelle quasi Selbstheilungskräfte zu verleihen, denn Defekte in der Schicht-Struktur können durch eine einfache Heizung und Kühlung repariert werden.

Im Januar 2009 zeigen Forscher der University of Toronto um Elisabetta Collini und Greg Scholes, wie effiziente Solarzellen auf Basis von organischen Polymeren Realität werden könnten. Um eine höhere Energieausbeute zu erreichen entwickelt das Team einen Ansatz, um den Energietransport bei sogenannten konjugierten Polymeren (lange, organische Moleküle) in effiziente Bahnen zu lenken. Da dieser Transport entlang der Polymerketten durch wiederholte Absorption und Reemission sprunghaft geschieht, ist er nicht wirklich effizient. Bei dem Experiment der Wissenschaftler in Toronto zeigt sich ein anderer Transportmechanismus, bei dem der Energietransport sehr schnell erfolgt, und zwar durch einen quantenmechanischen Mechanismus statt durch zufällige Sprünge. Die Ausbreitung erfolgt dabei nur entlang einzelner Molekülketten, deren chemische Struktur als wesentlicher Faktor für den quantenkohärenten Energietransport gilt. Dies ist deshalb außergewöhnlich, da man bislang dachte, daß diese Art von Quanteneffekten nur in komplexen Systemen und bei sehr niedrigen Temperaturen funktioniert. Ob auch eine technologische Umsetzung gelingt, läßt sich noch nicht vorhersagen.

Australische Wissenschaftler des Victorian Organic Solar Cell Consortium (VICOSC) der CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) arbeiten daran, flexible, großflächige und kostengünstige organische Solarzellen auf Polymer zu drucken. Versuche mit der Rolle-zu-Rolle-Druckmethode werden Anfang 2009 durch Securency International durchgeführt – ein Unternehmen, das auf Banknotendruck spezialisiert ist. An dem dreijährigen 12 Mio. $ Projekt, das zur Hälfte von der Regierung des Bundesstaates Victoria finanziert wird, sind auch die University of Melbourne, die Monash University sowie die Industriepartner Securency, BP Solar, Bluescope Steel und Merck beteiligt.

Im Juli 2009 zeigt das ein Jahr zuvor gestartete und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 16 Mio. € geförderte Projekt OPEG (Organische Photovoltaik zur integrierbaren Energieversorgung) erste Ergebnisse. Die drei Verbundpartner Heliatek GmbH, BASF und das Institut für angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden stellen eine p-i-n-Tandemsolarzelle mit einem bestätigtem Wirkungsgrad von 5,9 % auf einer aktiven Fläche von 2 cm2 vor – und nehmen in Anspruch, damit einen neue Weltrekord erzielt zu haben. Das Verbundprojekt läuft noch bis Juni 2011 und besteht aus insgesamt 8 Partnerunternehmen und Instituten. Ziel des Projekts ist die Effizienz organischer Solarzellen auf 9 % bis 10 % zu steigern, ihre Lebensdauer zu erhöhen und vor allem eine kostengünstige Herstelltechnik zu entwickeln.

An der Verbesserung organischer Solarzellen arbeiten auch Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland, um David Germack. Dabei konzentrieren sie sich auf den Schritt des Austrocknens der bedruckten oder beschichteten flexiblen Substrate. Die genutzt Tinte oder Druckfarbe setzt sich zusammen aus einem Polymer, das Elektronen absorbiert, und kugelförmigen Kohlenstoff-Molekülen (Fullerene), welche die Elektronen sammeln. Idealerweise erreichen beim Druck das Polymer-Netzwerk die Unterseite der Folie und die Fulleren-Kanäle die Oberseite, was aber nicht zuverlässig kontrolliert werden kann, solange die Tinte aushärtet. Germacks Team hat nun einen Weg gefunden, diesen Prozeß gezielt zu steuern. Bei Anwendung von Röntgenabsorption-Messungen an den Foliengrenzflächen stellte sich nämlich heraus, daß dadurch Fullerene abgewiesen und das Polymer angezogen wird – das richtige Ergebnis um die Elektronen in die gewünschte Richtung fließen zu lassen. Das Verfahren könnte auch zur Verbesserung der Lebensdauer organischer Zellen führen.

Einer Meldung vom August 2009 zufolge findet ein Forscherteam um David Ginger an der University of Washington einen Weg, um unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops Bilder von winzigen Bläschen und Kanälen zu machen, die rund 10.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar sind und innerhalb von Kunststoff-Solarzellen auftreten. Diese Blasen und Kanäle bilden sich innerhalb der Polymere bei dem Tempern genannten ‚Backvorgang’, der die Materialeigenschaften verbessern soll. Die Blasen und Kanäle beeinflussen, wie gut die Zelle Licht in Strom umwandelt und wie viel von dem elektrischen Strom auch tatsächlich bei den Drähten ankommt, die aus der Zelle führen. Die Anzahl von Blasen und Kanäle und ihre Konfiguration hängt u.a. davon ab, wie viel Wärme zugeführt wird und wie lange.

Bei ihren Versuchen mit unterschiedlichen Konfigurationen gelingt es den Forscher direkt zu messen, wie viel Strom jede winzige Blase und jeder Kanal trägt bzw. transportiert. Mit dem erhofften besseren Verständnis, wie genau eine Solarzelle Lichtenergie in Strom umwandelt, sollen nun die Bedingungen herausgefunden werden, die am ehesten zu dem erwünschten Wirkungsgrad von 10 % führen. Die Forschung wird von der National Science Foundation und dem US Department of Energy gefördert.

Zeitlich passend folgt einen Monat später die Meldung, daß ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Ulm und der TU Eindhoven um die Prof. Peter Bäuerle, Rene Janssen und Volker Schmidt zum ersten Mal hochauflösende dreidimensionale Bilder vom Inneren einer polymeren Solarzelle erzeugt hat. Diese liefern wichtige neue Informationen über die Nanostruktur polymerer Solarzellen und deren Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der Zellen, bei denen ein Polymer und ein Metalloxid verwendet werden, um elektrische Ladungen an den Phasengrenzen zu erzeugen. Die sehr unterschiedliche chemische Natur von Polymeren und Metalloxiden bereitet allerdings Schwierigkeiten, die Nanostruktur zu kontrollieren. Der Vermischungsgrad dieser beiden Materialien ist dabei ein entscheidender Faktor für die Effizienz, denn eine sehr starke Vermischung vergrößert die Phasengrenzen, was die Entstehung von elektrischen Ladungen verbessert - gleichzeitig aber den Abtransport der Ladungen erschwert. Während ein niedriger Vermischungsgrad den genau gegenteiligen Effekt hervorruft.

Die Forscher lösen dieses Problem größtenteils, indem sie eine Substanz verwenden, die sich gut mit dem Polymer mischt und dann anschließend das gewünschte Metalloxid liefert. Die bessere Vermischung führt zwar dazu, daß bis zu 50 % der absorbierten Photonen als elektrische Ladungen abgegeben werden können, doch tatsächlich werden nur 2 % der Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom umgewandelt. Um diesen Anteil stark zu vergrößern, soll zum einen eine bessere Kontrolle der Morphologie der photoaktiven Schicht erreicht werden, indem zum Beispiel neue Polymere synthetisiert werden, die sich kontrollierter mit Metalloxid mischen lassen, und zum anderen sollen neue Polymere oder Moleküle entwickelt werden, die einen größeren Anteil des Sonnenlichts absorbieren können. Das Projekt wird durch das Schwerpunktprogramm Elementarprozesse der organischen Photovoltaik der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Im Oktober 2009 geben Prof. Paul Berger und sein Team an der Ohio State University bekannt, daß die Zugabe winziger Silberpartikel zu dem Polymer-Material die Produktion des elektrischen Stroms merklich steigert: Ohne Silber generiert das Material 6,2 mA/m2, mit Silber wurden 7,0 mA/cm2 erwirtschaftet, was einem Plus von fast 12 % entspricht, da die kleinen Silberpartikel dem Polymer helfen, ein breiteres Spektrum von Wellenlängen von Sonnenlicht einzufangen als es normalerweise möglich ist. Die neue Herstellungstechnik beinhaltet, daß jedes Silberpartikel von einer ultra-dünnen Polymerschicht umschlossen wird (ein anderes Polymer als das Licht-absorbierende Polymer der Solarzelle), bevor die Partikel unter dem Licht-absorbierenden Polymer abgeschieden werden. Diese Beschichtung verhindert das Verklumpen des Silbers und ermöglicht den Partikeln sich in einem dichten und regelmäßigen Mosaikmuster anzuordnen – ein wesentliches Element, da Selbstorganisation vermutlich der Schlüssel zur Verbesserung der Lichtabsorption ist. Diese Arbeit wird von dem Wright Center for Photovoltaics Innovation and Commercialization sowie dem Institut für Werkstoff-Forschung der Ohio State University finanziert.

Die erste Meldung des Jahres 2010 stammt von Februar: Wissenschaftlern des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau ist es gelungen, eine Behandlungsmethode für die Oberfläche von Nanopartikeln zu entwickeln, welche die Effizienz von organischen Solarzellen erheblich steigert und auch bereits patentiert ist. Durch den Einsatz von Quantum Dots aus Cadmium-Selenid erzielen die Forscher die bisher höchste Hybrid-Solarzellen Effizienz von 2 %. Bei Hybrid-Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus einer Mischung aus anorganischen Nanopartikeln und einem organischen Polymer.

CALTECH-Solarzelle

CALTECH-Solarzelle

Zeitgleich erfolgt auch die Veröffentlichung eines Berichtes des California Institute of Technology (CALTECH), demzufolge man dort einen Weg gefunden habe, um Solarpaneele mit mindestens drei sehr wünschenswerten Eigenschaften zu entwickeln: 1. Sie sind sehr gut darin, Licht zu absorbieren, 2. sie sind flexibel, und 3. sie sind aus billigem Plastik hergestellt und benötigen nur sehr geringe Menge an teuren Halbleitern. Auf mikroskopischer Ebene ähnelt die Oberfläche der Solarzellen den ‚haarigen’ Nanodraht-basierten Solarzellen (s.u. Nano-Solarzellen), doch anstatt die Drähte aus exotischen Materialien wie Indiumgalliumphosphid zu machen, stellen die CALTECH-Forscher um Prof. Harry Atwater sie aus Polymer mit einem 2 %-igen Anteil Silizium her. Diese Struktur kann Licht sehr effizient absorbieren, da sie eine riesige Fläche bietet, um Photonen einzufangen. (Mehr darüber unter Siliziumbasierte Solarzellen).

Im März 2010 verlautet, daß Ingenieure der Princeton University um Prof. Yueh-Lin (Lynn) Loo und ihr Team eine neue Technik zur Herstellung von durchscheinenden, formbaren und elektrisch leitenden Kunststoffen entwickeln, welche die Kosten der damit gefertigten Solarzellen drastisch senken könnten. Die Materialien zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie bei ihrer Weiterverarbeitung ihre Leitfähigkeit beibehalten. Als Beispiel stellen sie einen (hier abgebildeten) Kunststoff-Transistor vor, bei dem das Material in ineinandergreifende Elektroden (orange) ausgeformt ist, die den Stromfluß von und zu dem aktiven Kanal (grün) zulassen.

Tatsächlich ist im April 2012 zu erfahren, daß es Loos Team zwischenzeitlich gelungen sei, die Effizienz der neuen Solarzellen um 47 % anzuheben (ohne daß allerdings absolute Werte genannt werden). Grundlage dafür ist die Entdeckung, daß mikroskopische Falten die Leistung von billigen Plastik-Solarzellen verbessern. Dieser Faltmechanismus ist von der Struktur von Blättern mit ihren winzigen Falten inspiriert, die eine bessere Photosynthese ermöglichen.

Im Juni 2010 meldet das Freiburger Materialforschungszentrum (FMF), in dem Uli Würfel in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE an der Optimierung organischer Solarzellen arbeitet, daß das Forschungsteam mit 64 % den weltweit besten Wert beim Füllfaktor für flexible organische Solarzellen erzielt hat. Der Füllfaktor ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal, das neben dem Kurzschlußstrom und der offenen Klemmenspannung die Effizienz der Solarzelle bestimmt. Mit dem eingesetzten Materialsystem wird ein Modul-Wirkungsgrad von 2,5 % auf der aktiven Fläche von mehr als 25 cm2 erreicht. Ein weiterer Vorteil der in Freiburg entwickelten organischen Solarzellen ist, daß sie aufgrund eines invertierten Aufbaus ohne die üblicherweise verwendete teure Indium-Zinnoxid Elektrode auskommen. Die Forschungsarbeiten werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie die Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) gefördert.

Ein Team von Forschern der University of Alberta und des kanadischen National Institute for Nanotechnology um David Reiter gibt im Juli 2010 bekannt, daß es die Lebensdauer einer unversiegelten Plastik-Solarzelle von wenigen Stunden auf acht Monate verlängert habe, indem es eine neue Polymer-Beschichtung entwickelt habe.

Zur selben Zeit melden Wissenschaftler der University of Southern California, daß sie Graphen/Polymer-Platten hergestellt haben, die verwendet werden könnten um dichte Anordnungen von flexiblen organischen PV-Zellen zu produzieren.

Anfang September 2010 startet unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Bayreuth um Prof. Mukundan Thelakkat das EU-Forschungsprojekt LARGECELLS (Large-area Organic and Hybrid Solar Cells), bei dem neue geeignete polymere Funktionsmaterialien für kostengünstig druckbare, organische Polymersolarzellen synthetisiert werden sollen, um eine Verdoppelung der heute erreichbaren Effizienz zu erzielen. Hierzu wird das Potential sowohl von rein organischen Systemen als auch von Hybridmaterialien aus anorganischen und organischen Halbleitern erforscht. Die Europäische Kommission finanziert das internationale Forschungsvorhaben, an dem sich vier akademische Partner aus Deutschland und Israel, die dänische Firma Mekoprint sowie fünf wissenschaftliche Institutionen aus Indien beteiligen, für die nächsten drei Jahre mit 1,64 Mio. €. Das indische Konsortium wird separat vom indischen Wissenschaftsministerium finanziert.

Unter der Leitung des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) startet im selben Monat das von der EU mit rund 2,4 Mio. € geförderte dreijährige Verbundprojekt IMPROV (Integrated Mid-infrared high Power source for Resonant ablation of Organic based photovoltaic devices), bei dem ein durchstimmbares Infrarot-Kurzpulslasersystem für die selektive Bearbeitung organischer Schichten in optoelektronischen Bauelementen entwickelt werden soll. Damit sollen organische photovoltaische Solarzellen effektiver gemacht werden. Das europäische Konsortium, welches das neue Laserverfahren namens resonante infrarote Ablation (RIA) entwickeln soll, das im Wellenlängenbereich von 3 bis 10 µm arbeitet, besteht aus sieben Partnern aus Wissenschaft und Industrie: die deutschen Firmen BATOP und Heliatek, das belgische Interuniversitair Micro-electronica Centrum VZW (IMEC) sowie die Firmen Multitel ASBL, NKT Photonics und Thales.

Ebenfalls September 2010 berichtet ein Team aus dem Cavendish Laboratory der University of Cambridge, daß es die geringe Effizienz von PV-Zellen aus organischen Polymeren mit einem kommerziellen Modell steigern will, das Effizienzsteigerungen, eine längere Lebensdauer, preisgünstige Rohstoffe mit geringer Toxizität, eine kostengünstige Herstellung und eine aufskalierbare Produktlinie vereint. Hierfür gründet das Labor gemeinsam mit dem Carbon Trust das Joint Venture Eight19 Ltd., das im Cambridge Science Park beheimatet die Entwicklung mit einer Erstinvestition in Höhe von 4,5 Mio. £ vorantreiben soll (der Name bezieht sich auf die Zeit, welche die Sonneneinstrahlung braucht um die Erde zu erreichen: 8 Minuten und 19 Sekunden). Die Mittel für die neue Firma stammen vom Trust und der Spezialchemikalien-Unternehmen Rhodia SA. Weitere Investoren sind die TTP Ltd. und die Universität Cambridge.

Die Paneele der Firma, die auf der Grundlagenforschung des Teams um Prof. Sir Richard Friend am Cavendish Laboratory basieren, einem der Mitgründer von Eight19, werden unter Verwendung eines flexiblen, transparenten Materials entwickelt, das sogar gerollt werden kann. Die Firma behauptet, daß die Zellen auf einem ähnlichen Prinzip beruhen wie die Photosynthese in Pflanzen.

Tatsächlich wird Anfang 2012 die Eröffnung einer Fertigungsanlage für organische Photovoltaik-Module am Unternehmenssitz in Cambridge gemeldet, die als europaweit größte Fabrik ihrer Art bezeichnet wird. Die kostengünstigen OPV-Zellen werden mit einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 3,6 km pro Stunde im Rolle-zu-Rolle Druckverfahren produziert. Die flexiblen Module aus der neuen Fabrik sollen sowohl für industrielle Produkte verwendet werden als auch für das IndiGo-Photovoltaiksystem von Eight19, das es den Besitzern ermöglicht, den Solarstrom zu verkaufen.

Das IndiGo-System besteht aus einem Low-Cost-Solarpaneel, einer Batterieeinheit mit eingebautem Handy-Ladegerät und ein LED-Lampe mit hohem Wirkungsgrad. IndiGo, das mit einem Guthabensystem wie bei Mobiltelefonen arbeitet, wird versuchsweise ab September 2011 in Kenia angeboten. Anschließend sollen auch in Sambia, Malawi und auf dem indischen Subkontinent Marktuntersuchungen durchgeführt werden. Im Januar 2012 gibt Eight19 gemeinsam mit SunnyMoney – ein führendes soziales Unternehmen, das in Ostafrika Solarlampen verteilt und SolarAid gehört – bekannt, das man den Kickstart Sustainable Energy Fund gestartet habe, dessen Anfangsinvestition in Höhe von 200.000 $ zur Finanzierung von 4.000 IndiGo-Einheiten dienen soll, die in Kenia zum Einsatz kommen werden. Im Februar wird begonnen, gemeinsam mit WorldVenture im Südsudan 1.000 Einheiten an den Mann zu bringen. Im Juni ist Eight19 einer von elf Gewinnern des 2012 World Business and Development Awards, der während der Klimakonferenz Rio+20 vergeben wird.

IndiGo in Kenia

IndiGo in Kenia

Im August 2012 wird dann die Ausgründung der Azuri Technologies Ltd. bekannt gegeben, um die IndiGo „pay-as-you-go“ Solartechnologie für Off-Grid-Märkte weiterzuentwickeln. (Über Solar/LED-Systeme für die 3. Welt berichte ich ausführlich in einem eigenen Kapitelteil, s.d.). Die ersten Photovoltaik-Module aus bedrucktem Plastik von Eight19 sollen im Laufe des Jahres 2013 auf den Markt kommen.

Ein Forscherteam des Rochester Institute of Technology (RIT) um Prof. Brian Landi meldet im September 2010, daß man als einer der ersten Ökobilanzen von organischen Solarzellen durchgeführt habe. Die Studie zeigt, daß organische Solarzellen im Vergleich mit konventionellen anorganischen Zellen weniger Graue Energie verbrauchen (das ist die gesamte Energie die benötigt wird, um ein Produkt herzustellen). Die Studie wurde durch das DOE finanziert und umfaßte auch Forscher des Golisano Institute for Sustainability am RIT und den NanoPower Research Labs. Genaue Zahlen werden nicht mitgeteilt.

Im gleichen Monat berichten Ingenieure der Stanford University um Prof. Shanhui Fan, daß sie eine organische Polymer-Zelle entwickelt haben, die mit 400 bis 700 nm (Nanometer) dünner als die Wellenlänge des Lichts ist, dafür aber im Vergleich zu aktuellen Zellen die 10-fache Menge an Sonnenlicht absorbieren kann. Der Trick dabei ist die Konfiguration der Dicke von mehreren nano-dünnen Schichten von Filmen, die zusammen eine Art Lichtfalle bilden.

Außerdem findet Mitte September 2010 in Würzburg die 1. Internationale Konferenz Organische Photovoltaik statt – mit über 260 Teilnehmern aus 11 Ländern. Bei der vom Cluster Energietechnik gemeinsam mit dem ZAE Bayern konzipierten Konferenz geht es um die physikalischen Grundlagen der Organischen Photovoltaik, die technologischen Anforderungen bei Produktion und Applikation, den Einfluß der Ausgangsmaterialien (Kunststoffe, Nanomaterialien, Farbstoffe usw.), die Herausforderungen der Prozeßtechnik sowie um bereits realisierte Umsetzungen.

Im Oktober 2010 veröffentlichen Prof. Vitaly Podzorov und sein Team von der Rutgers University einen Bericht darüber, wie sie beobachtet haben, daß Exzitonen – Partikel, die entstehen, wenn halbleitende Materialien Photonen absorbieren – in einem extrem reinen, kristallinen, organischen Halbleiter namens Rubene tausendmal weiter reisen können als die typischerweise in anderen organischen Halbleitern beobachteten 20 nm. Exzitonen bestehen aus einem Elektron und einem Elektronen-Loch (eine positive Ladung, die auf das Fehlen eines Elektrons zurückzuführen ist). Sie können eine photoinduzierte Spannung aufbauen, wenn sie eine Halbleiter-Grenze oder einen Übergang treffen, wobei sich die Elektronen auf die eine Seite und die Löcher auf die andere Seite des Übergangs bewegen.

Wenn Exzitonen nur 10 nm diffundieren, können nur diejenigen eine Spannung erzeugen, die den Grenzen oder Übergängen am nächsten sind. Dies erklärt die geringe elektrische Wirkungsgrade der heutigen organischen Solarzellen, wo bis zu 99 % des Sonnenlichts verloren geht. Bei der Exzitonen-Migration in Rubren werden dagegen Diffusionslängen von 2 - 8 Mikrometern gemessen, vergleichbar mit der Exitonendiffusion in anorganischen Solarzellenmaterialien wie Silizium und Galliumarsenid. Da Exzitonen nicht geladen sind, sind sie mit herkömmlichen Methoden schwer zu messen. Das Team entwickelt deshalb eine neue Technik zur Messung der Exzitonen auf Grundlage der optischen Spektroskopie namens polarisations-aufgelöste Photostromspektroskopie (polarization resolved photocurrent spectroscopy).

Eine Forschungsgruppe der North Carolina State University um Prof. Harald Ade meldet im November 2010, daß sie gemeinsam mit britischen Kollegen ebenfalls herausgefunden haben, daß der niedrige Energieumsatz bei Polymer-Solarzellen von der Struktur der Solarzellen selbst verursacht wird. Es besteht nämlich ein gewisser Widerspruch in den Erfordernissen: Die Zellen müssen dick genug sein, um Photonen aus der Sonne zu absorbieren, und gleichzeitig Strukturen enthalten die dünn genug sind, damit die aufgenommene Energie in Form von Exzitonen an den Ort der Ladungstrennung und Umwandlung in Elektrizität wandern kann. Die gegenwärtigen Solarzellen erfassen zwar die Photonen, aber die Exzitonen müssen zu weit reisen, weil die verwendete Schnittstelle zwischen den zwei verschiedenen Kunststoffen für eine effiziente Ladungstrennung zu rauh ist.

Damit die Solarzellen am effizientesten sind, sollte die Photonen absorbierende Schicht etwa 150 - 200 nm dick sein. Die daraus resultierenden Exzitonen sollten zur Ladungstrennung jedoch nur noch einen Entfernung von 10 nm reisen. In den untersuchten verschiedenen Arten von Polymer-Solarzellen betrug der geringste Abstand, den die Exzitonen überwinden mußten, allerdings 80 nm. Darüber hinaus zeigen die Schnittstellen zwischen den Strukturen keine scharfe Trennung, so daß sich die Exzitonen regelrecht ‚verfangen’. Ade und seinem Team zufolge müssen daher neue Herstellungsverfahren gefunden werden, die kleinere Strukturen und schärfer Schnittstellen bieten. Die Forschung wird durch einen Zuschuß des DOE und des britischen Engineering and Physical Sciences Research Council finanziert.

Zeitgleich meldet die Presse, daß nun auch Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory und des Los Alamos National Laboratory um Mircea Cotlet transparente, leitfähige Dünnschichten hergestellt hätten, die in der Lage sind, Licht zu absorbieren und elektrischen Strom zu erzeugen. Das genutzte Material besteht aus einem halbleitenden, mit kohlenstoffreichen Fullerenen dotierten Polymer. Unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen montiert sich das Material selbst zu reproduzierbaren Mustern aus sechseckigen Zellen in Mikrongröße, und dies über einen relativ großen Bereich von bis zu mehreren Millimetern. Außerdem bleibt das Material weitgehend transparent, da die Polymerketten nur an den Kanten der Sechsecke dicht gepackt sind. Dort wird das Licht stark absorbiert und der Strom kann gut abgeleitet werden, während die Zentren nicht viel Licht absorbieren und dafür relativ transparent sind.

Fabriziert werden die wabenförmigen Dünnschichten durch Schaffung einer Strömung von Mikrometer-großen Wassertröpfchen über eine dünne Schicht der Polymer/Fulleren-Lösung. Diese Wassertröpfchen bauen sich innerhalb der Polymerlösung selbst zu großen Gittern zusammen. Sobald das Lösungsmittel vollständig verdunstet ist, bildet das Polymer ein sechseckiges Wabenmuster über eine große Fläche – eine kostengünstige Methode mit dem Potential einer Produktion im industriellen Maßstab. Die Forschung wird durch das DOE unterstützt.

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory wiederum erfinden eine Schablonen-ähnliche Methode auf molekularer Ebene, um futuristische selbst-organisierende Materialien zu erschaffen. Ziel ist die Entwicklung neuer Arten preisgünstiger Solarzellen mit hoher Effizienz. Das neue Verfahren, das auf den einzigartigen Eigenschaften von Molekülen namens Blockcopolymeren beruht, ermöglicht eine präzise Steuerung nicht nur der chemischen Zusammensetzung eines neuen Materials, sondern auch der geometrischen Anordnung der Moleküle. [Copolymere o. Heteropolymere sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenartigen Monomereinheiten zusammengesetzt sind, während Blockcopolymere aus Blöcken unterschiedlicher polymerisierter Monomere bestehen].

Bei der sequentielle Infiltrationssynthese (sequential infiltration synthesis, SIS) genannten Methode nutzen die Forscher einen dünnen Film aus Blockcopolymeren als Schablone oder Vorlage, auf der ein neues Material ‚wachsen’ kann, das die gewünschten Eigenschaften einschließlich – auf molekularer Ebene – der Formen wie Kugeln und Zylinder besitzt. Die Umsetzung sei sowohl im organischen als auch im anorganischen Einsatzbereich möglich.

Polythiophen/Fulleren-Solarzelle

Polythiophen/Fulleren-Solarzelle

Im Dezember 2010 berichten Wissenschaftler der Iowa State University und des Ames Laboratory, daß sie Polymer-Solarzellen auf dem Weg zur Marktreife einen Schritt weiter gebracht hätten. Prof. Sumit Chaudhary zufolge ist der Schlüssel zur Leistungsverbesserung von Polymer-Solarzellen, ein strukturiertes Substrat-Muster zu finden, das die Abscheidung einer Licht-absorbierenden Schicht erlaubt, die gleichmäßig dünn ist, selbst wenn das Substrat mit millionstel Meter großen abgeflachten ‚Hügeln’ versehen ist.

Die sogenannten Polythiophen/Fulleren-Bulk-Heterojunction-Solarzellen sind aus einem eindimensionalen Fotolack-Gitter von 2 μm Abstand und 300 nm Höhe hergestellt. Diese Dimensionen stellen eine einheitliche Beschichtung der photovoltaisch aktiven Schicht sicher und führen durch Licht-Trapping zu einer höheren Effizienz, insbesondere bei Photonen mit höherer Wellenlänge. Damit gelingt es, den Wirkungsgrad um 20 % zu verbessern. Tests zeigen auch, daß Licht im roten bzw. nahen Infrarotbereich doppelt so stark wie bei flachen Zellen aufgenommen wird.

Das Jahr 2011 beginnt mit einer Meldung im Februar, daß es einem Team des MIT um Prof. Karen Gleason gelungen ist, mittels der oxidativen chemischen Gasphasenabscheidung (oxidative chemical vapor deposition, oCVD) Solarzellen auf Reispapier und sogar auf Toilettenpapier zu drucken. Die Technik deponiert konjugierte Polymere, Kunststoffe mit guter Leitfähigkeit und Halbleiter-Eigenschaften, die auch flexibel, dehnbar und sogar faltbar sind. Bei dem Verfahren wird Dampf aus einem Monomer und einem Oxidationsmittel auf ein Substrat gesprüht. Treffen diese auf der Oberfläche zusammen, polymerisieren und formieren sie sich zu langen Ketten eines Kunststoffes namens PEDOT. Durch variieren der Oberflächentemperatur des Substrats zwischen 20°C und 100°C kann bestimmt werden, wie sich die Oberfläche der Folie ausbildet, wobei sie von glatt bis mit Nanoporen gespickt reichen kann. Das Polymer ist selbst zwar leitfähig, doch der Zusatz von Silberpartikeln kann die Leitfähigkeit um das tausendfache erhöhen.

Tatsächlich hatte das neu gegründete Eni-MIT Solar Frontiers Research Center bereits im Mai des Vorjahres eine erste auf Papier gedruckte Solarzelle vorgestellt, bei der organisches nanoskaliges Halbleitermaterial unter Verwendung einer Inkjet-Druckertechnologie genutzt wurde. Mit den auf Kohlenstoff basierenden Farbstoffen wird ein Wirkungsgrad von 1,5 % bis 2 % erreicht, der in Zukunft auf 15 % bis 25 % angehoben werden soll.

Eine neue Art solarthermischen Geräts aus Polymer, das Licht und Wärme gleichzeitig absorbiert, wird im April 2011 von Forschern der Wake Forest University um David Carroll vorgestellt. Hierbei wird die Photovoltaik mit einem System kombiniert, das die Infrarotstrahlung der Sonne einfängt.

Die Hybridzelle besteht aus einer integrierten Anordnung von 5 mm durchmessenden transparenten Röhrchen, die mit einem Gemisch aus Öl und einem speziellen Farbstoff gefüllt sind. Sobald die Sonne das Öl erhitzt, fließt es zu einer Wärmepumpe, welche die gewonnene Wärme in ein Wohnhaus leitet. Auf die Rückseite der Röhrchen ist ein Photovoltaik-Polymer gesprüht, das den elektrischen Strom produziert. Das Ergebnis ist ein PV/Solarthermie-Gerät mit eine eindrucksvollen Gesamtwirkungsgrad von 30 %.

PV/Solarthermie-Hybridzelle

PV/Solarthermie-Hybridzelle

Im Mai 2011 veröffentlichen Qiaoqiang Gan und seine Kollegen von der University at Buffalo einen Bericht über ein neues Doppel-Plasmonen-Struktur-Design für die Breitband-Resorptionsverstärkung in molekularen organischen Solarzellen. Die Forscher arbeiten mit einer Struktur, die aus einer periodischen Anordnung von Metall-Nanoscheiben auf einer Seite der OPV-aktiven Schicht, und einem dünnen Gitter aus Nanolöchern aus Metall auf der anderen Seite besteht.

Die Japan Science and Technology Agency (JST) und die University of Tokyo geben im Mai bekannt, daß es Prof. Keisuke Tajima und seinen Kollegen gelungen sei, die Ausgangsspannung von organischen Dünnschicht-Zellen durch Anpassung von Doppelschicht-Schnittstellen zu verbessern. Zum Einsatz kommen zwei Filme aus den organischen Halbleitermaterialen P3HT (Poly (3-hexylthiophen)) und PCBM ([6,6]-phenyl-C61-buttersäure-methylester).

Im Laufe des Jahres 2011 wird als Spin-out-Unternehmen der University of Warwick auch die Firma Molecular Solar Ltd. gegründet, die einen Multi-Junction-OPV-Ansatz verfolgt und mit ihrer FLEXIFILMTMsubstrate Technologie eine kostengünstige Alternative bietet. Frühe finanzielle Unterstützung kommt von der Universität und der Warwick Ventures Ltd. Im Mai wird das Unternehmen Teilnehmer an einem Konsortium aus vier Unternehmen und zwei Universitäten, um mit Finanzmitteln in Höhe von 2,1 Mio. £ eine führende Position bei der dritten Solarzellen-Generation zu erreichen. Im Oktober 2012 folgt zwar eine Meldung, daß das Forschungsteam um Prof. Tim Jones erste Erfolge erzielt habe, Details werden jedoch noch nicht bekannt gegeben.

Wissenschaftler um Andrew Parnell und Robert Dalgliesh von den Universitäten Sheffield und Cambridge veröffentlichen im Juli 2011 ihre Forschungsergebnisse zur Herstellung extrem billiger Solarpaneele. Dabei geht es um den Einsatz von Großmengen-Druckverfahren, um Solarzellen aus einem nanoskaligen (60 nm) Polymer-Film zu produzieren, der der marktgängigen Frischhaltefolie ähnelt. Die Studie zeigt bei komplexen Mischungen von Molekülen in Lösung, die auf einer Oberfläche verteilt werden, daß sich die unterschiedlichen Moleküle in einer Weise auf die Ober- und Unterseite der Schicht verteilen, die den Wirkungsgrad der resultierenden Solarzelle maximiert. Zahlen werden nicht genannt.

Zeitgleich wird bekannt, daß sich die Merck KGaA mit dem in Massachusetts ansässigen Unternehmen Nano-C Inc. zusammengetan hat, um aus Nano-Kohlenstoff Materialien für die nächste Generation von organischen Dünnschicht-Solarzellen zu entwickeln, von denen erwartet wird, daß sie die Leistungswandlungseffizienz auf 10 % verbessern können. Merck bringt seine in der OPV-Industrie weit verbreitet verwendeten Halbleitermaterialien in die Kooperation ein, während Nano-C seit 2009 über eine exklusive Lizenz von Unidym/Siemens für den Vertrieb des Fullerenderivats PCBM verfügt.

Gold-Nanopartikel

Gold-Nanopartikel

Im August 2011 berichtet ein internationales Team von Wissenschaftlern um Prof. Yang Yang (UCLA), Xing Wang Zhang (chinesische Akademie des Wissenschaften, Peking) und Ziruo Hong (Yamagata Universität, Japan), daß es mit Hilfe von Gold-Nanopartikeln gelungen sei, die Effizienz von organischen Solarzellen auf 6,24 % zu steigern. In ihren Experimenten klemmen die Wissenschaftler eine Schicht von Gold-Nanopartikeln zwischen zwei lichtabsorbierende Teilzellen in einer polymeren organischen Tandem-Solarzelle. Dies verursacht einen plasmonischen Effekt, bei dem die Partikel ein elektromagnetisches Feld erzeugen, welches das Licht konzentriert, so daß mehr davon in den Unterzellen absorbiert werden kann. Da der Plasmonen-Effekt in der Mitte der Verbindungsschicht geschieht, kann er die Effizienz sowohl der oberen wie auch der unteren Subzellen gleichzeitig erhöhen.

Mit einer anderen Tandem-Solarzellenstruktur, die mehrere Zellen mit unterschiedlichen Absorptionsbändern kombiniert, erreicht Yang sogar 8,62 %. Nachdem in diese ein neues Infrarot-absorbierendes Polymermaterial von Sumitomo Chemical eingearbeitet wird, gelingt es im Februar 2012 mit 10,6 % einen neuen Rekord aufzustellen, den das NREL zertifiziert.

Ebenfalls im August 2011 meldet eine Gruppe um Prof. Ivan Biaggio an der Lehigh University, daß sie ein bildgebendes Verfahren entwickelt hat das es ermöglicht, Licht emittierende Exzitonen direkt und bei Raumtemperatur dabei zu beobachten, wie sie in ein neues Material mit außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften diffundieren. Dabei handelt es sich um das oben bereits erwähne Rubren, das zu einer neuen Generation von organischen Einkristall-Halbleitern gehört. Mit dem Verfahren kann festgestellt werden, daß die Diffusionsstrecke der Exzitonen in einer bestimmten Richtung sehr groß ist und einen Wert erreicht, der mehrere hundert Mal größer ist als in den bislang vorhandenen Kunststoff-Solarzellen.

Im September 2011 findet die 2. Internationale Konferenz Organische Photovoltaik mit über 240 Teilnehmern statt. Diesmal geht es darum, auf Grundlage der neuesten Entwicklungen Kooperationsprojekte zwischen Wirtschaft und Wissenschaft anzustoßen und die wirtschaftliche Erschließung der organischen Photovoltaik zu beschleunigen. Den Veranstaltern zufolge besteht insbesondere bei den aktiven und passiven Materialien, bei der Modularchitektur und bei den Herstellungsverfahren noch beträchtlicher Entwicklungsbedarf.

Wissenschaftler der Universität Bayreuth, der LMU München und der TU München berichten im Oktober 2011, daß sie mit einem weltweit einmaligen lasertechnischen Versuchsaufbau beobachten können, wie Lichtenergie in Strom verwandelt wird, wobei sich alle Teilschritte dieser Transformation mit einer Auflösung von 40 Femtosekunden bildlich darstellen lassen. Zum Einsatz kommen Hybrid-Solarzellen aus Kunststoff und Silizium. Beobachtet und dokumentiert wird die Anregung der Polymere durch Lichtenergie, die Bildung von coulombgebundenen Paaren positiver und negativer Ladung sowie deren anschließende Trennung, wobei die negative Ladung der Elektronen von der anorganischen Komponente (Silizium) aufgenommen und zur Elektrode abgeleitet wird, während die positive Ladung über die organische Komponente abfließt.

Das Forscherteam um Prof. Dr. Anna Köhler entdeckt, daß die bindende Coulomb-Kraft leicht überwunden werden kann, wenn das organische Material eine geordnete molekulare Struktur aufweist. Hierzu wird der Kunststoff P3HT verwendet. In zahlreichen Experimenten findet man heraus, wie die P3HT-Polymere aus sich selbst heraus eine regelhafte Struktur anstreben und das Team bearbeitet die Polymere so, daß sie ihre Tendenz zur wohlgeordneten Selbstorganisation voll entfalten und die Effizienz der Ladungstrennung verdoppeln. Den Wissenschaftlern gelingt es auch, Silizium so zu prozessieren, daß es gemeinsam mit Kunststoff zu einer effizienten Solarzelle verarbeitet werden kann.

Ebenfalls im Oktober 2011 startet das auf 4 Jahre angelegte und mit 14,2 Mio. € Fördermitteln ausgestattete europäische Forschungsprojekt SUNFLOWER (SUstainable Novel FLexible Organic Watts Efficiently Reliable), bei dem bessere flexible Kunststoff-Solarzellen entwickelt werden sollen. Unter der Federführung des Schweizer Zentrums für Elektronik und Mikrotechnik sollen mehr als ein Dutzend Partner die Effizienz und Lebensdauer der Zellen erhöhen und ihre Herstellungskosten verringern.

Im November 2011 folgt die Meldung, daß die Chemiker Guillermo Bazan und Alan Heeger von der University of California in Santa Barbara ein Molekül „designt“ haben, das organische Solarzellen noch leistungsfähiger machen könnte. Firmen wie Konarka und viele Forschungsgruppen arbeiten mit leitfähigen Polymeren, für deren Herstellung Bazan und Heeger im Jahre 2000 den Chemienobelpreis erhalten hatten (s.o.).

Bazan entwickelt nun eine niedermolekulare Verbindung (small molecule), die gegenüber leitfähigen Polymeren den Vorteil haben, daß sie sich leichter reinigen und zu komplexeren Schichtsystemen verarbeiten lassen. Der bislang damit erreichbare Wirkungsgrad betrug jedoch nur 2 % bis 4 %. Bazan experimentiert deshalb mit verschiedenen organischen Molekülen, aus denen er schließlich die Verbindung DTS(PTTh2)2 zusammenfügt, die die in einer Solarzelle nötigen hohen Stromstärken und Spannungen aushalten kann und Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 und 800 Nanometern absorbiert. Die Prototypenzelle ist auf einem Glasträger aufgebaut, der mit dem Elektrodenmaterial Indium-Zinn-Oxid beschichtet ist. Auf diesem befindet sich eine 9 nm starke Zwischenschicht aus Molybdänoxid, um positiv geladene Elektronenlöcher anzuziehen. Das DTS(PTTh2)2 wird hierauf mittels Rotationsbeschichtung als 180 hm starker Film aufgebracht, auf den eine Aluminiumschicht als Kathode folgt. Der Prototyp kommt auf einen Wirkungsgrad von 6,7 %, doch Bazan rechnet damit, ihn auf 9 % steigern zu können. Bei Laborprototypen wird von einem Potential von bis zu 15 % ausgegangen.

Im Dezember 2011 wird der mit 250.000 € dotierte Deutsche Zukunftspreis an die Materialforscher Prof. Dr. Karl Leo, Dr. Jan Blochwitz-Nimoth und Dr. Martin Pfeiffer vergeben – für ihr Projekt ‚Organische Elektronik - mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten’. Die Arbeiten des Teams wurden an der TU Dresden als Grundlagenforschung begonnen, am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme wurden dann Fertigungsprozesse und erste Bauelemente entwickelt, und industriell umgesetzt wurde die Forschung schließlich durch Ausgründungen wie der Heliatek GmbH (s.o.) und der Novaled AG, die sich mit hocheffizienten OLEDs beschäftigt.

In gleichen Monat berichtet die Fachpresse, daß eine Partnerschaft zwischen dem belgischen Interuniversitair Micro-electronica Centrum VZW (IMEC) in Leuven und den Firmen Polyera, einem führender Anbieter von Hochleistungsmaterialien für die elektronische und opto-elektronische Industrie, und Solvay, einer internationalen Chemie-Gruppe einen neuen Weltrekord für Polymer-basierte organische Single-Junction-Solarzellen erreicht habe: 8,3 %. Es verwundert daher nicht, daß bereits im September 2012 in einer weiteren Mitteilung auch ein Weltrekord für organische Module bekannt gegeben wird: Mit einer 16 cm2 großen Fläche wird eine Effizienz von 5,5 % erzielt.

Ebenfalls im Dezember 2011 beginnt Prof. Jun Ling, Polymerwissenschaftler an der Zhejiang Universität in Hangzhou und aktuell Humboldt-Stipendiat an der Universität Bayreuth, gemeinsam mit Prof. Axel Müller neuartige molekulare Strukturen zu synthetisieren und zu erforschen. In seinen Forschungsarbeiten hat Ling bereits eine Vielzahl von Riesenmolekülen synthetisiert und daraufhin überprüft, inwieweit sie zum Light Harvesting (wörtlich: zur Lichternte) imstande sind. Als besonders vielversprechend erweisen sich dabei molekulare Strukturen, welche die Form eines Zylinders haben und zur Molekülfamilie der Polymerbürsten zählen. Ein derartiger Zylinder ist ca. 100 nm lang und hat an seiner Außenseite einen dichten Kranz kettenförmiger Moleküle, die wie Arme nach außen gerichtet sind und der gesamten Struktur das Aussehen einer Flaschenbürste geben. Dabei fungiert jeder einzelne Arm wie eine Antenne für die Wellen des Sonnenlichts. Im Zylinderinneren befindet sich eine lange Molekülkette, welche die Längsachse des Polymers bildet. Hier laufen alle Energieimpulse zusammen, die von den Antennen aufgenommen werden.

Im April 2012 melden Forscher der Georgia Tech um Prof. Bernard Kippelen, daß sie die „weltweit erste Kunststoff-Solarzelle“ geschaffen haben (?!). Dabei liegen sie gegenüber anderen Teams noch weit zurück. Allerdings gelingt es ihnen, eine dünne Polymer-Schicht (1 bis 10 mm dick) auf der Oberfläche eines Leiters auszubreiten und damit ein robustes und Luft-stabiles Oberflächendipol zu schaffen. Die Gesamtdicke der Solarzelle liegt im Bereich von einem Mikrometer.

Das Brookhaven National Laboratory gibt im gleichen Monat bekannt, daß man hier die Eigenschaften einer speziellen Doppelschicht-Struktur entdeckt habe, die in einem der effizientesten Materialien für organische Solarzellen existiert. Das organische Material selbst, auch bekannt als PCDTBT, ist eine Form der sogenannten Polycarbazol konjugierten Polymere (polycarbazole conjugated polymer), dessen molekulare Struktur aus einem kettenähnlichen Kohlenstoff-Rahmen besteht, der durch seitliche Alkaliketten abgestützt wird. Die Forscher um Benjamin Ocko erreichen damit eine Effizienz von 7,2 %.

Im Juli 2012 meldet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), daß eine Forschergruppe um Alexander Colsmann vom Lichttechnischen Institut (LTI) eine Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung in Höhe von 4,25 Mio. € erhält, um die Forschung an druckbaren organischen Solarzellen zu intensivieren. Ziel des auf vier Jahre angelegten Projekts ist es, den Wirkungsgrad auf deutlich über 10 % zu steigern. Hierzu arbeiten die Forscher mit Tandem-Architekturen, bei denen Solarzellen unterschiedlicher Absorptionsspektren miteinander kombiniert werden. Unterstützung erhalten die KIT-Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam und von der University of Queensland/Australien, die neue Materialien zur Herstellung organischer Solarzellen bereitstellen. Die Industriepatenschaft für das Projekt übernimmt die Firma Merck KGaA.

Polymerzelle des KIT

Polymerzelle des KIT

Im gleichen Monat gibt ein Forscherteam um Prof. Jochen Feldmann an der Ludwig-Maximilians-Universität München bekannt, daß man über die systematische Untersuchung diverser Low-Bandgap Polymere mit Hilfe von Ultrakurzzeit-Spektroskopie entscheidende Erkenntnisse über deren Funktionsprinzip erlangen konnte. In diesen Polymeren mit ihren besonders kleinen Bandlücken gelingt die Anregung auch durch Sonnenlicht mit wenig Energie, wie beispielsweise rotes Licht. Bei den Untersuchungen zeigt sich, daß deren chemische Struktur deutlich mehr sogenannte schwächer gebundene und daher leichter zu trennende Ladungspaare (Polaronen-Paare) aufweist als herkömmliche Polymere. Während die Entstehung von Polaronen-Paaren in herkömmlichen Polymeren im einstelligen Prozentbereich liegt, können in manchen Low-Bandgap Polymeren bis zu 25 % nachgewiesen werden. Die Forschung erfolgt im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und basiert auf Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Wuppertal, Mons (Belgien) und Freiburg.

An der südaustralischen Flinders University in Adelaide entwickelt Anirudh Sharma ein neues, billigeres und schnelleres Verfahren, um mit einer Laminierungstechnik großflächige Kunststoff-Solarzellen herzustellen. Einem Bericht vom September 2012 zufolge führt die Abscheidung von Materialien auf zwei verschiedenen elektrisch leitenden Oberflächen, gefolgt von einer Laminierung, zu stabileren und leistungsfähigeren Zellen.

Im Oktober folgt die Meldung, daß das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam-Golm und die brasilianische Firma Flexsolar in Joinville, Santa Catarina, zukünftig in Brasilien flexible organische Solarzellen entwickeln werden. Flexsolar will die Photovoltaikelemente in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Druckprozeß herstellen, wobei das IAP hierfür eine Pilotanlage installieren und die Techniken und Verfahren entwickeln wird. Erste Produktmuster werden bereits am IAP gefertigt, das in seinem neu eröffneten Anwendungszentrum für Innovative Polymertechnologien über eine Pilotanlage zur Herstellung flexibler organischer Bauelemente verfügt.

Aufgrund seiner guten wirtschaftlichen Lage investiert Brasilien verstärkt in alternative Energien und will mit der organischen Photovoltaik vor allem Gebiete mit schlechter Infrastruktur mit Strom versorgen. PV-Umsetzungen werden daher von der Regierung im Rahmen des Programms ‚Luz para todos’ (Licht für alle) gefördert. Die Firma Cromotransfer in Joinville arbeitet seit über 15 Jahren im Bereich der Siebdrucktechnik für die Textil- und Verpackungsindustrie. Im Rahmen der Technologieentwicklung ist nun die Tochterfirma Flexsolar gegründet worden, um die Drucktechnologie auf innovative Anwendungsfelder im Bereich der Photovoltaik zu übertragen.

Ebenfalls im Oktober berichten die Fachmagazine über die Forschungsergebnisse eines Teams der North Carolina State University um Harald Ade. Im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, daß möglichst reine Donor- und Akzeptor-Schichten der beste Weg sind, daß die Exzitonen in Polymer-basierten Solarzellen ungehindert reisen können, wird nun entdeckt, daß eine gewisse Vermischung sehr effiziente Solarzellen ergibt – sofern die Morphologie oder Struktur der gemischten Domänen klein bleibt.

Im selben Monat wird in Frankfurt am Main eine Photovoltaikanlage auf dem Firmengelände der städtischen Mainova AG, Hessens größtem Energieversorger, in Betrieb genommen, bei der eine OPV-Technologie zum Einsatz kommt, die schon bei diffusem oder künstlichem Licht Strom erzeugen. Die 0,2 kW Pilotanlage besteht aus neun mit transparenter Kunststoff-Folie bespannten rechteckigen 2,0 x 0,7 m großen Power Plastic Modulen des Herstellers Konarka (s.o.). Die Konstruktion übernimmt der auf Leichtbau-Photovoltaik spezialisierte Stuttgarter Projektentwickler Solartension, und der produzierte Solarstrom wird direkt ins Netz eingespeist. Damit sei ein erster Schritt getan, um Frankfurt zu „Deutschlands Solarhauptstadt“ zu machen. Zurzeit liegt die Stadt am Main auf Platz 30. Noch vor Ende der Pilotphase 2014 will Solartension auch auf dem Uni-Campus Westend nach dem neuen Verfahren Strom liefern.

Princeton OPV-Sandwich

Princeton OPV-Sandwich

Einer Pressemeldung im November 2012 zufolge setzen nun auch ThyssenKrupp Steel Europe und Solliance auf die organische Photovoltaik. Solliance ist eine Partnerschaft aus F+E-Organisationen, die in der ELAT-Region (Eindhoven-Leuven-Aachen) im Bereich der Photovoltaik tätig sind. Mit seinem Direktionsbereich Walzen und Veredeln Siegerland/Color beteiligt sich ThyssenKrupp an dem OPV-Forschungsprogramm von Solliance, um neue Verfahren zu untersuchen, wie die organische Photovoltaik für den Einsatz in der Bauindustrie integriert werden kann. Ziel ist es, in Serienproduktion bereits das Stahlband, aus dem Bauelemente hergestellt werden, mit der OPV-Funktion zu auszustatten.

Im Dezember verkünden Wissenschaftler der Princeton University, daß es ihnen gelungen sei mit einer neu entwickelten, preiswerten und flexiblen Kunststoff-Solarzelle die bisherige Effizienz organischer Solarzellen mehr als zu verdreifachen. Die Zelle basiert im Wesentlichen auf einem ‚Sandwich’ aus nanostrukturiertem Metall und Kunststoff, das die außerordentliche Fähigkeit hat, die Reflexion des Lichts auf nur etwa 4 % zu dämpfen – und damit bis zu 96 % zu absorbieren.


Organometallische Solarzellen


Die Arbeiten an dieser Zellenart lassen sich bis in die 1990er Jahre zurückverfolgen. So hat beispielsweise ein Mathew E. McDowell aus St. Joseph, Missouri, im Juli 1992 das Patent für eine organometallische Zelle angemeldet, welches er im Februar 1994 auch erteilt bekommt (US-Nr. 5.288.700, Organometallic solar voltaic storage cell).

Die erste Meldung über universitäre Forschung stammt vom August 2006, derzufolge die Professoren Mark Brongersma, Peter Peumans und Shanhui Fan von der Stanford University an der Entwicklung einer organometallischen Solarzelle arbeiten, welche die günstigen Herstellungskosten organischer Solarzellen mit der Effizienz von Metallen kombiniert. Im Laufe des vorhergehenden Jahres waren erhebliche Fortschritte bei Entwurf und Synthese metallischer Nano-Antennen-Strukturen sowie der Simulation von hoch leitfähigen, aber transparenten nanostrukturierten Metallfilm-Kontakten für OPV-Zellen gemacht worden. Durch deren Anwendung soll nun eine konkurrenzfähige Zelle hergestellt werden.

Etwas Neues gibt es erst wieder, als Wai-Yeung Wong von der Hong Kong Baptist University im August 2008 einen Bericht unter dem Titel ‚Challenges in organometallic research – Great opportunity for solar cells and OLEDs’ veröffentlicht. Diesem zufolge bilden metallorganische Moleküle in der optoelektronischen Forschung inzwischen einen Bereich intensiver Aktivitäten, wobei es notwenig sei, neue synthetische Methoden zu entwickeln, um technologisch geeignete Materialien mit spezifisch funktionellen Rollen zu produzieren.

Im März 2010 veröffentlicht ein Team der Universität Utrecht um Sipke H. Wadman einen Bericht unter dem Titel ‚Cyclometallated Organoruthenium Complexes for Application in Dye-Sensitized Solar Cells’. Hier sind eine Reihe von (cyclometallierten) Ruthenium-Komplexen hergestellt worden, um die Fähigkeit der Cyclometallisierung als allgemeines Werkzeug in der Gestaltung neuer Sensibilisatoren für Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen zu untersuchen.

Im September 2010 folgt ein weiterer Forschungsbericht von Wong. Demnach zeigen sich metallisierte, konjugierte Polymere außergewöhnlich vielversprechend als Doner-Materialien für Mehrschicht-Solarzellen und als praktikable Alternativen zu den gegenwärtig eingesetzten gesamtorganischen Materialien. Unter diesen metallisierten, konjugierten Polymeren bildet lösliches Platin (II) beinhaltendes Poly(arylene ethynylene) (PArEs) mit variabler Bandlücke (~ 1,4 - 3,0 eV) einen attraktiven Kandidaten für die Entwicklung einer kostengünstigen und leichtgewichtigen Solarzelle. Die Absorption dieser Materialien kann auch auf den nahen sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich abgestimmt werden.

Von Alessandro Abbotto aus der University of Milano-Bicocca ist eine äußerst detaillierte Präsentation vom August 2011 unter dem Titel ‚Organometallic complexes for a new generation solar energy’ im Netz zu finden. Und unter dem Namen ‚Theory of organometallic compounds from organic solar cells to organic light emitting diodes’ läuft 2012 an der University of Queensland ein Projekt, bei dem es um metallorganische Komplexe geht, d.h. Moleküle mit einem zentralen Metallatom, die mit einem organischen Gerüst umgeben sind, und deren physikalische Grundlagen noch weitgehend unverstanden sind.

Über irgendwelche praktischen Umsetzungen liegt mir bislang nichts vor.


Papier-Solarzellen


Im Mai 2010 präsentieren Forscher des Eni-MIT Solar Frontiers Center eine Solarzelle, die so dünn ist, daß man sie auf ein Blatt Papier auftragen kann (s.o.), wobei die Zellen von einem Gerät aufgebracht werden, das wie ein Tintenstrahldrucker funktioniert. Die Effizienz von 2 % ist zwar noch gering, soll in Zukunft aber stark angehoben werden

Papier-Solarzelle

Papier-Solarzelle

Die gemeinsame Forschungseinrichtung war bereits 2008 angekündigt worden, wobei der italienische Energiekonzern Eni insgesamt 50 Mio. $ in die Energieforschung am Massachusetts Instituts of Technology (MIT) steckt, von denen die Hälfte an das Sonnenenergiezentrum geht. Die Papier-Solarzellen sind das erste Ergebnis der dortigen Bemühungen.

Im Oktober 2010 zeigt die federführende Prof. Karen Gleason eine Solarzelle die sich sogar falten läßt – zu einem Papierflieger beispielsweise. Die Zelle besteht aus fünf Lagen festen Materials, die auf einem Papiersubstrat geschichtet sind, und erreicht einen Wirkungsgrad von 1 %. Die Forscher hoffen jedoch, mit den Papier-Solarzellen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 4 % kommen zu können. Das Verfahren verwendet organische Materialien und Polymere, die reichlich vorhanden und somit nicht teuer sind. Die Vermarktung soll innerhalb der nächsten fünf Jahre erfolgen.

Zum Einsatz von Papier als Solarzellensubstrat siehe auch unter Solarzellen-Farbe.


PEC-Solarzellen (Photoelectrochemical Cell)


1988 gibt Stuart Licht vom israelischen Weizmann Institut bekannt, daß er in den Laboratorien des MIT eine photoelektrochemische Zelle entwickelt hat, die sogar nachts Strom produziert (!). Bei der PEC-Zelle handelt es sich um eine Kombination zwischen Solarzelle und chemischer Batterie, die mit einem nur geringen Herstellungsaufwand einen Wirkungsgrad von 11,3 % erreicht. Außerdem entfällt der oft störanfällige elektronische Regelkreis, da der Stromfluß von den photochemischen Batterien selbst geregelt wird. Mitentwickler ist Prof. Joost Manassen, der später in dem Unternehmen Orionsolar Photovoltaics Ltd. aktiv ist (s.u. Grätzel-Zelle, die ebenfalls als elektrochemische Zelle gilt).

Eine PEC-Zelle besteht im allgemeinen aus einer Halbleiter-Photoanode, einer Kathode aus Metall und einem Elektrolyten, wobei die Zelle entweder direkt elektrische Energie oder – ähnlich der Elektrolyse des Wassers – Wasserstoff erzeugt.

Das Hauptproblem der PEC-Zellen ist die schnelle Korrosion, so daß sogar die besten Modelle bisher maximal nur 240 Stunden betrieben werden konnten, während die Vorgaben des Department of Energy eine Mindestbetriebsdauer von 10.000 Stunden vorsehen.

Im August 2006 blicken Wissenschaftler am Stanford Linear Accelerator Center mittels weicher Röntgenstrahlen direkt in die PEC-Zellen und beobachten die elektrischen und chemischen Reaktionen an den Berührungsflächen von Wasser und Halbleitern. Indem sie die Veränderungen auf der Halbleiter-Oberfläche auf atomarem Niveau verfolgen, versuchen sie die richtigen Materialkombinationen zu finden, um länger haltbare Zellen zu entwickeln.


Perowskit-Solarzellen


Sehr wichtige, sehr neue Entwicklung (in Arbeit).


Photonische Kristall-Solarzellen


Photonische Kristalle sind nanostrukturierte Materialien, in denen wiederholte Variationen des Brechungsindex auf der Längenskala von sichtbarem Licht eine photonische Bandlücke produzieren. Diese Lücke beeinflußt, wie sich Photonen durch die Substanz bewegen und ähnelt der Art, wie ein periodisches Potential in Halbleitern den Elektronenfluß beeinflußt. Im Falle der photonischen Kristalle fällt Licht bestimmter Wellenlängenbereiche durch die photonische Bandlücke, während andere Wellenlängenbereiche reflektiert werden. Die photonische Kristallschicht könnte daher an der Rückseite einer Solarzelle angebracht werden.

Funktion der StarSolar-Zelle

Funktion der StarSolar-Zelle

Im März 2007 berichtet das Startup-Unternehmen StarSolar aus Cambridge, Massachusetts, daß seine patentierten Silizium-Zellen mit ihrer innovativen Lichtfallen-Technologie, die auch Infrarotstrahlung umsetzen soll, einen Wirkungsgrad von 37 % erreichen. Die Photonischen Kristalle würden es erlauben, Dinge mit Licht zu tun, die bislang als unmöglich galten. Entwickelt wurde die neue Zellenart am MIT unter der Leitung von Prof. John Joannopoulos.

Das Unternehmen will nun die entsprechenden Produktionstechniken für den industriellen Maßstab entwickeln, um sein Produkt preisgünstig auf den Markt bringen zu können. Leider gibt es auf der Homepage der Firma seit April 2007 keinerlei Neuigkeiten mehr.

Eine weitere Startup-Firma wird mit Finanzierung durch den Quercus Trust und andere Investoren Anfang 2008 unter dem Namen Lightwave Power gegründet, ebenfalls in Cambridge. Das erste Patent wird im März eingereicht. Geplant ist die Entwicklung von großflächigen, sehr dünnen und wiederholten Strukturen in Mikro- und Nano-Größe, die Licht absorbieren, konvertieren, leiten und wieder abgeben können. Diese sollen aus unedlen Metallen und Dielektrika gestaltet und auf flexiblen Substraten mit einem von der Firma MicroContinuum lizenzierten Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden, was zu niedrigen Herstellungskosten führt. Die preisgünstigen flexiblen Folien sollen – zu bestehenden Solarzellen hinzugefügt – deren Wirkungsgrad um bis zu 85 % steigern können.

Im Dezember 2008 bringt eine Finanzierungsrunde A dem Unternehmen 13 Mio. $ ein, doch auch von Lightwave hört man danach nichts mehr.

Anfang 2009 zeigen Forscher des MIT um Prof. Lionel Kimerling Prototypen neuartiger Silizium-Solarzellen in Dünnfilmtechnik, die deutlich effizienter und billiger als aktuelle Typen sind. Das Design kombiniert Reflektoren mit hohem Wirkungsgrad auf der Rückseite der Zellen mit einer Antireflexionsbeschichtung auf der Vorderseite, was hilft, zusätzliches rotes und nahinfrarotes Licht im Silizium einzufangen. Die Dünnfilm-Solarzellen selbst sind rund fünf Mikrometer dick. Der Prototyp ist dadurch 15 % effizienter als kommerzielle Dünnschichtzellen.

Statt die Solarzellen mit einem reflektierenden Metallrücken zu versehen, der typischerweise aus Aluminium besteht, entwickeln die MIT-Forscher eine neue Beschichtung, die effizienter im Reflektieren und Einfangen von Licht ist. Hierfür ätzen sie eine Anzahl von Bergen und Tälern in das Trägermaterial (Grating), auf welches anschließend ein photonischer Kristall aufgebracht wird – eine Struktur, die aus mehreren abwechselnden Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid besteht. Der photonische Kristall reflektiert das Licht, während das Grating es in einem geringen Winkel zurück in das Silizium schickt, was dafür sorgt, daß das Licht im Material hin und her geworfen wird und nicht so leicht entkommen kann. Denn je länger das Licht innerhalb der Struktur verbleibt, desto effektiver ist die Absorption und Umwandlung in Strom.

Das Forscherteam lizenziert seine Technologie an das Startup StarSolar aus Cambridge, da die Technik praktisch noch nicht einsetzbar ist, und zunächst eine konkurrenzfähige Herstellungstechnik für die Massenproduktion gefunden werden muß. Durch die Optimierung der photonischen Kristalle und die Grating-Struktur könnte der Wirkungsgrad auf 13 % erhöht werden, wobei Computersimulationen sogar noch wesentlich höhere Wirkungsgrade versprechen. Ob es nun an der Technologie liegt oder an Cambridge – auch von StarSolar ist anschließend nichts mehr zu hören...

Am Ames Laboratory in Iowa untersuchen der Physiker Rana Biswas und seine Kollegen 2009 die Verwendung photonischer Kristalle zur Herstellung nur 0,5 Mikrometer dicker, amorpher Silizium-Solar-Zellen mit höherem Wirkungsgrad. Ihr Kristallmaterial besteht aus einem Gitter kleiner Silizium-Zylinder innerhalb einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht, welches die Effizienz der Solarzellen auf 15 % steigern könnte.


Plastik-Solarzellen


s.u. Organische Solarzellen


Polymer-Solarzellen


s.u. Organische Solarzellen


Pyrit-Solarzellen


Das sehr häufig in Reinform vorkommende Mineral Pyrit ist Eisensulfid (FeS2) und in Deutschland auch unter dem Namen Katzengold bekannt. Pyrit absorbiert mehr Sonnenlicht als Silizium und könnte daher auch höhere Stromerträge liefern.

Mitte der 1980er Jahre arbeitet Prof. Helmut Tributsch am Hahn-Meitner-Institut in Berlin an der Züchtung hochreiner Pyritkristalle, um diese als Solarzellen einzusetzen. Es geht dabei um die computerüberwachte Zellenmaterial-Herstellung, wobei ein Laser während der Produktion die Qualität online kontrolliert. Die Grundstoffe für die Herstellung hauchdünner und ultraleichter polykristalliner Pyritfilme sind billig und ungiftig, die Produktion durch das Aufdampfen mittels einer Düse einfach und schnell zu bewerkstelligen. Mit Pyrit-Zellen läßt sich ein theoretischer Wirkungsgrad von 18 % erreichen, zu Beginn der Arbeiten werden allerdings erst 3 % erzielt. Die Anschubfinanzierung für das Projekt kommt von der Stiftung Volkswagenwerk und beträgt 1,67 Mio. DM. 1988 rechnet man mit dem Erreichen der technologischen Reife in wenigen Jahren.

Tatsächlich bleibt es dann jedoch über 10 Jahre lang ruhig um diese Technologie, bis im Februar 2009 Forscher um Chemieingenieur Cyrus Wadia vom Lawrence Berkeley National Laboratory der University of California einen Bericht über die Untersuchung von 23 Materialien auf ihr Potential als kostengünstiges und ausreichend verfügbares Material für die Solarzellenherstellung veröffentlichen. Dabei kristallisiert sich Pyrit als zukünftiger Material-Favorit heraus – auch wenn es bisher noch nicht gelungen ist markttaugliche Pyrit-Solarzellen herzustellen. Im November 2009 meldet das Team, welches mit der Schweizer Firma NLV solar zusammenarbeitet, daß seine bislang hergestellten Prototypen-Zellen allerdings nur eine Effizienz von 1,6 % erreichen, selbst unter Hinzufügung von Cadmium.

Im Laufe des Jahres 2009 gibt es deshalb auch einigen Pressewirbel um die Behauptung, daß die hauchdünnen, fast transparenten Solarzellen, an denen Nunzio La Vecchia aus dem Schweizerischen Zug eigenen Angaben zufolge seit zwanzig Jahren im Rahmen seiner JUNO Technology Products Ltd. arbeitet, Wirkungsgrade von mindestens 38 % erreichen. Für die selektive Absorption der solaren Strahlung soll dabei eine kontrollierte Verunreinigung des Pyrits sorgen. Im März dieses Jahres hatte der renommierte schwedische Spezialautobauer Koenigsegg auf dem Genfer Autosalon das Modell eines Elektro-Sportwagens namens Quant vorgestellt, dessen Karosserie mit den Pyritzellen des Schweizers überzogen werden sollte.

Bei dem Privatforscher La Vecchia handelt sich auch um den Inhaber der oben genannten Firma NLV solar, deren Forschungs- und Entwicklungsarbeit in erster Linie eine private Unternehmenserbin aus der Schweiz finanziert hat, die bislang rund 33 Mio. € in das Projekt gesteckt hat.

Viele Forscher glauben dagegen an einen Schwindel, da Pyrit bislang als im Prinzip interessantes, aber nicht zu beherrschendes Material für die Photovoltaik gilt, das typischerweise nur Wirkungsgrade im Bereich von etwa 2 % aufweist – und weil La Vecchia einer Überprüfung seiner Ergebnisse verweigert. Inzwischen ist auch die Investorin mißtrauisch geworden, die sich von einer Dokumentation hatte überzeugen lassen, die auf einem (tatsächlich nicht bestätigten) Meßprotokoll des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts vor einigen Jahren basierend den extrem hohen Wirkungsgrad der Solarzelle belegen sollte. Nachdem überprüfbare Belege für das Funktionieren der Zelle ausbleiben, reicht die Investorin Strafanzeige wegen Betrugs ein, doch das Obergericht des Kantons Zürich stellt die Untersuchung im Juni dieses Jahres rechtskräftig ein: „Wer als geschäftserfahrener Investor trotz der sich geradezu aufdrängenden Hinweise auf einen fehlenden Gegenwert dennoch einen Kauf vornimmt, ohne entsprechende Abklärungen zu tätigen, wird nicht in arglistiger Art und Weise getäuscht.“

Aktuellere Berichte über Pyrit-Solarzellen haben ich bislang nicht finden können.

 

Weiter mit den verschiedenen Solarzellenarten...