Großflächige Nanostrukturierung für effizientere organische Solarzellen
Neues Laserverfahren kann die Oberflächenstrukturierung organischer Solarzellen besonders schnell und effizient verbessern und dadurch den Wirkungsgrad erhöhen.
Die organische Photovoltaik durchläuft in den letzten Jahren enorme Fortschritte bei der Verbesserung der photoelektrischen Effizienz und bietet zudem die Möglichkeit der Skalierbarkeit auf große und flexible Flächen. Für die weitere Verbesserung des Wirkungsgrades ist es notwendig, zusätzlich zu den intrinsischen Eigenschaften der organischen Materialien die optischen Eigenschaften der Solarzellen zu optimieren. Mikro- und nanostrukturierte Oberflächen sind bei organischen Solarzellen besonders vorteilhaft, da sie die Effizienz von Solarzellen erhöhen, indem sie den optischen Weg des einfallenden Lichts im aktiven Medium verlängern.
Abb.: DLIP-strukturierte Polyimidfolie
(Bild: IWS)
Ein besonders schnelles und effizientes Verfahren zur Strukturierung mit hoher Auflösung ist das am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden praktizierte Verfahren der Direkten Laserstrahlinterferenzstrukturierung (DLIP: Direct Laser Interference Patterning). Damit lassen sich verschiedenste Materialien wie Metalle, Keramiken oder Polymere in einem Prozessschritt mit Mikro- oder Nanostrukturen versehen. Um eine Interferenzstruktur zu erzeugen, werden mindestens zwei kollimierte, kohärente Laserstrahlen auf der Substratoberfläche zur Überlagerung gebracht. Zur Interferenz kommt es im gesamten Überlappungsvolumen der Laserstrahlen, die mit einem einzigen Puls Flächen von mehreren Zentimetern Breite abdecken können. Somit ergeben sich effektive Strukturierungsgeschwindigkeiten von einigen Quadratzentimetern pro Sekunde.
In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der Technischen Universität Dresden wurde der Einfluss der Strukturierung von PET-Folien mittels DLIP auf die Verbesserung der Effizienz von organischen Solarzellen untersucht. Es zeigt sich, dass Solarzellen auf strukturierten Substraten eine deutliche Leistungssteigerung aufweisen. Durch die Überlagerung zweier Laserstrahlen wurde eine Linienstruktur erzeugt. Damit wurde eine Effizienzsteigerung von ca. 10% gegenüber dem unstrukturierten PET-Substrat realisiert. Die Überlagerung von drei Laserstrahlen, die nicht in einer Raumebene liegen, oder die Doppelbelichtung mit zwei zueinander verdrehten Linienmustern ergibt eine hexagonale oder Punktestruktur. Sie erweist sich bei organischen Solarzellen auf PET als besonders vorteilhaft und führt zu einem Effizienzanstieg von 21%.
Für die industrielle Umsetzung des Verfahrens entstand am Fraunhofer IWS Dresden ein kompaktes Laserinterferenzsystem, das die Strukturierung innerhalb eines in-line Prozesses ermöglicht. Das System und Verfahrensprinzip stellen die Wissenschaftler vom 12. bis 14. Juni 2012 auf der diesjährigen Lasys in Stuttgart aus (Stand 4.C31).
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