Gedruckte Solarzellen und Leuchtdioden

Um Solarenergie auf breiter Front erschwinglich zu machen, suchen Wissenschaftler und Ingenieure überall auf der Welt nach kostengünstigen Produktionstechniken. Biegsame organische Solarzellen besitzen dabei ein riesiges Potenzial, erfordern sie doch zu ihrer Herstellung im Roll-to-Roll-Verfahren eine vergleichsweise geringe Menge an zudem billigen Ausgangsmaterialien. Allerdings müssen dazu die transparenten Elektroden, die Sperrschichten, sowie die gesamten Bauteile flexibel sein. Im Rahmen des von der EU mit einem Gesamtbudget von über 14 Millionen Euro finanzierten Projekts TREASORES – Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices – entwickelt und erprobt ein internationales Team unter der Leitung von Frank Nüesch an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA seit November 2012 neue Technologien, um eine R2R-Herstellung von organischen optoelektronischen Bauteilen wie Solarzellen und LED-Beleuchtungskörpern Wirklichkeit werden zu lassen.

Wichtige Teilziele sind bereits erreicht. Das Team, das Forscher aus 19 Labors und Unternehmen in fünf europäischen Ländern vereint, hat ultra­dünne, transparente Silber-Verbundelektroden entwickelt, die nicht nur günstiger sind als die derzeit verwendeten Indium-Zinnoxid-Elektroden, sondern die auch eine höhere Leistung erzielen. Damit konnten die Wissen­schaftler in einer Perovskit-basierten Solarzelle eine Rekordeffizienz von sieben Prozent nachweisen. Zudem erreichten die ersten gänzlich im R2R-Verfahren produzierten Solarzellen bei Feldversuchen eine Lebensdauer, die kommerziellen Ansprüchen genügt. Der nächste Schritt sei nun, so Nüesch, die Hochskalierung und Verbesserung jener Technologien, die bislang das größte Potenzial aufweisen, um so Sperrmaterialien und transparente Elektroden in großen Mengen, sprich auf Rollen von mehreren Hundert Metern Länge, herzustellen.

In der zweiten Hälfte des Projekts sollen nun auch andere vielversprechende Technologien weiterentwickelt werden. Dazu gehören transparente, biegsame Elektroden aus Textilien, Nanodrähten und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. „Wir arbeiten an den zentralen Fragestellungen für den großflächigen Einsatz von organischen optoelektronischen Bauelementen. Unsere neuen kosten­günstigen Elektrodensubstrate sind den bisherigen leitfähigen Oxid­elektroden bereits in vielerlei Hinsicht überlegen“, betont Nüesch. „Aber wir müssen die Leistung der damit im Großmaßstab hergestellten Bauteile noch weiter verbessern, indem wir die Fehlerdichte in den Substraten reduzieren.“

Dazu wurden die neuen Materialien ausgiebig mit speziell entwickelten Instrumenten auf ihre mechanischen, elektrischen und optischen Eigen­schaften untersucht. Zudem bestimmten Nüesch und seine Kollegen die Leistungscharakteristika der damit produzierten Bauteile wie Lebens­dauer und Beleuchtungsqualität im Praxiseinsatz. So wiesen etwa flexible Elektroden aus Silber-Nanodrähten einen Flächenwiderstand von unter 20 Ohm und eine optische Durchlässigkeit von 80 Prozent auf. Noch besser schnitten Kupfer-Nanodrähte ab: Bei einer Transparenz von 90 Prozent auf Glas lag ihr Flächenwiderstand sogar unter 10 Ohm – eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bislang üblichen Elektroden, die bei einer derart hohen Transparenz Flächenwiderstände von rund 100 Ohm aufweisen. Mit diesen Kupferelektroden hergestellte Solarzellen verfügen zurzeit über einen Wirkungsgrad von etwas über drei Prozent. Ähnliche Verbesserungen erzielten die Forscher auch bei Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Deren Flächenwiderstand liegt derzeit bei 74 Ohm bei einer Transparenz von 90 Prozent. Damit erreichten organische Solarzellen einen Wirkungsgrad zwischen vier und fünf Prozent.

All diese Elektrodentypen haben jedoch einen Nachteil: Sie sind bis zu einem gewissen Grad wellig und rau, weshalb eine ebnende Schicht notwendig ist, die eine fehlerfreie Aufbringung der optoelektronischen Elemente in mehreren Lagen ermöglicht. Die Forscher arbeiten daher bereits an einem weiteren Elektrodentyp, bei der eine dünne Silberschicht zwischen zwei Metall­oxid­schichten liegt. Diese Folien erweisen sich als deutlich ebener. Solche mehrschichtigen Elektroden ermöglichen den Bau deutlich effizienterer optoelektronischer Bauteile, was zumindest teilweise auf die geringe Rauheit von etwa 20 Nanometern zurückzuführen ist.

Mit diesen ultraflachen Elektroden lassen sich Rekordwirkungsgrade von bis zu sieben Prozent erzielen, wie Tests mit organischen Solarzellen aus handelsüblichen Materialien gezeigt haben. Mit denselben Elektroden­materialien erreichte das Team bei der Herstellung weißer organischer Leuchtdioden einen Wert von 17 lm/W und bei organischen elektro­chemischen Leuchtzellen von über 20 lm/W. Obwohl das noch keine Rekordwerte sind, weist Nüesch darauf hin, dass alle Elektroden durch ein R2R-Verfahren in industrieller Umgebung und mit industrierelevanten Prozessen hergestellt wurden. Die Verfahren sind also robust und reproduzierbar.

EMPA / RK