Organische Photovoltaik auf Rollen

Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Laser­technik in Aachen entwickeln fünf Projekt­partner aus Industrie und Forschung im Vorhaben „EffiLayers“ Techno­logien für die Rolle-zu-Rolle-Produktion organischer Photo­voltaik. Ziel dieses NRW-Leit­markt­projekts ist es, den in Nordrhein-Westfalen ansässigen Maschinen­herstellern eine Vorreiter­rolle im Markt der flexiblen Dünn­schicht-Solar­zellen und gedruckten Elektronik zu ermöglichen. Es geht um organische Photo­voltaik­zellen, die im Vergleich zu traditio­nellen Solar­zellen auf Silizium­basis einen geringeren Wirkungs­grad aufweisen, dafür jedoch biegsam und trans­parent sind. Dadurch lassen sich diese OPV-Zellen funktionell und dekorativ etwa in Fassaden von Gebäuden integrieren. Die Entwicklung eines effi­zienten Produktions­prozesses soll die indus­trielle Massen­produktion von OPV-Zellen anschieben.

Die einzelnen Schichten der OPV-Zellen sind nur wenige Nanometer dick. Durch das groß­flächige Beschichten flexibler Träger mittels Dünn­schicht­technik werden nur geringe Material­mengen benötigt, wodurch eine ressourcen­schonende Fertigung möglich ist. Durch die Umsetzung des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens kann zudem eine Produktion im indus­tri­ellen Maßstab realisiert werden. Im Vergleich zur klassischen Silizium-Photo­voltaik­produktion fallen hier auch geringere Herstell­kosten an, da energie­intensive und kosten­auf­wändige Prozess­schritte entfallen.

In den Vorgängerprojekten FlexLas und PhotonFlex standen bereits einzelne Schritte des komplexen Rolle-zu-Rolle-Produktions­prozesses von OPV-Zellen im Mittel­punkt. Im September 2019 startete das Forschungs­projekt EffiLayers mit dem Ziel, den Produktions­prozess unter Verwendung inno­va­tiver Analyse- und Prozess­techno­logien ganz­heitlich umzu­setzen. Durch hoch­auf­lösende Sensorik werden einzelne Prozess­schritte über­wacht und in eine Prozess­regelung imple­men­tiert.

„Wir möchten den Prozess industrienah umsetzen“, erklärt Ludwig Pongratz vom Fraun­hofer-ILT. „Unser Ansatz besteht darin, teure, energie­intensive Sputter-Verfahren durch nass­chemische Beschichtungs­verfahren zu ersetzen.“ Die funktio­nellen Schichten werden über nass­chemische Lösungen mittels beheiz­barer Schlitz­düsen-Beschichtung über­ein­ander auf­ge­tragen. Die 10 bis 250 Nano­meter dicken Schichten werden mit verschiedenen Laser­quellen aus dem Kurzpuls- und Ultra­kurz­puls­bereich bearbeitet. Im fort­laufenden Prozess werden Laser­trocknung und Dünn­schicht­abtrag zur Separation einzelner Zellen sowie zur Entfernung der Schichten im Rand­bereich ein­ge­setzt. Anschließend werden die OPV-Zellen durch Laser­ver­kapselung mit einer Barriere­folie vor Umwelt­ein­flüssen schützend versiegelt. „Für das Herstellen von OPV-Zellen mit einer Fläche von zehn Quadrat­metern benötigen wir nur drei Gramm organisches Aktiv­material“, so Pongratz.

Im Forschungsprojekt EffiLayers über­nimmt ein Ultra­kurz­puls­laser im Femto­sekunden­regime eine wichtige Rolle. Er separiert die einzelnen Schichten, sodass einzelne Zellen per Serien­schaltung mit­ein­ander verbunden sind. „Wir führen beim Laser Scribing elf Teil­strahlen auf die Ober­fläche, während sich das Band bewegt“, erklärt Pongratz. „Die Laser­strahlen trennen den Schicht­verbund gezielt auf, sodass am Ende zwölf seriell verschaltete Teil­zellen auf einem einzigen Band herge­stellt werden. Die Heraus­forderung besteht darin, selektiv die einzelnen Nanometer dicken Schichten abzu­tragen, ohne die darunter liegenden Schichten zu beschädigen oder Kurz­schlüsse zu verursachen.“

Auch die Entwicklung im Bereich der organischen Materialien hat inzwischen neue Standards erreicht. Diese neu­artigen Materialien fließen in EffiLayers ein, um eine deutliche Erhöhung des Solar­zellen-Wirkungs­grads zu erzielen und OPV-Zellen auch für Indoor-Anwendungen nutzbar zu machen.

Fh.-ILT / RK

Weitere Infos:

• Mikro- und Nanostrukturierung, Lasermaterialbearbeitung, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen
• EffiLayers - Optimized Roll-to-Roll-production of novel, highly efficient organic photovoltaic cells, Laseranwendungstechnik, Ruhr-Universität Bochum