Solarzellen aus dem 3D-Drucker

Billige Solarzellen mit lichtaktiven, organischen Substanzen und Perowskiten statt Silizium werden zunehmend effizienter. Erste Prototypen erreichen bereits Wirkungsgrade von deutlich über 15 Prozent. Allerdings handelt es sich dabei um aufwendig gefertigte Einzelstücke, bei denen auch das Geschick der Wissenschaftler keine geringe Rolle spielt. Um auf der Basis dieser Laborerfolge einen schnelleren Weg in die Massenfertigung zu bahnen, analysierten nun koreanische und australische Forscher das Potenzial von 3D-Druckern für die Solarzell-Fertigung.

„Gedruckte Solarzellen – flexibel, bruchfest und leicht – sind eine sehr attraktive Technologie“, sagt Doojin Vak vom CSIRO Manufacturing Flagship in Victoria. Mit seiner Arbeitsgruppe und Kollegen vom koreanischen Gwangju Institute of Science and Technology modifizierte er daher einen handelsüblichen 3D-Drucker für eine schnelle und reproduzierbare Fertigung von Solarzellen. Dabei wählten sie die erprobten lichtaktiven Substanzen – Polyhexylthiophen (P3HT), spezielle Benzothiadiazole (PCDTBT) und Perowskite auf Bleibasis. Für die bisher gefertigten Prototypen nutzten Forschergruppen fast immer ein Spin-Coating-Verfahren, bei dem eine Flüssigkeit mit einer rotierenden Scheibe möglichst gleichmäßig auf einem Trägermaterial verteilt wird.

Um auch mit 3D-Druckern eine möglichst homogene, lichtaktive Schicht deponieren zu können, wechselten Vak und Kollegen eine Punktdüse gegen eine Schlitzdüse aus. Durch diese benetzten sie eine leitfähige Trägerschicht aus Indiumzinnoxid (ITO) mit einer flüssigen Lösung mit den jeweiligen lichtaktiven, organischen Molekülen. Die Dicke, die für die Effizienz der Solarzellen eine entscheidende Rolle spielt, kontrollierten sie über zwei Parameter: Zuflussmenge der Flüssigkeit und Geschwindigkeit, mit der sich die Trägerschicht unter der Düse bewegte. Abgesehen von den Randbereichen konnten die Forscher so zuverlässig die Schichtdicken zwischen 70 und einigen hundert Nanometern kontrollieren.

Die so gefertigten Solarzellen mit Flächen von bis zu 50 Quadratzentimetern zeigten für alle verwendeten Materialien Wirkungsgrade, die mit den besten im Spin-Coating-Verfahren gefertigten Module konkurrieren konnten. Damit waren diese sogar effizienter als organische Solarzellen, die im Rolldruckverfahren produziert wurden. So belegten Vak und Kollegen, dass 3D-Drucker für eine schnelle und materialsparende Produktion von organischen Solarzellen geeignet sind. Zudem ermöglichte die digitale Steuerung des Druckprozesses, beliebige Flächenformen – etwa für kantige oder gebogene Solarzellen.

„Der Grad von Reproduzierbarkeit ist extrem ungewöhnlich für die Materialforschung“, betont Vak einen weiteren Vorteil der 3D-Drucker. So könnten verschiedene Forschergruppen einfacher als bisher ein Ergebnis von Kollegen wiederholen und weiter verbessern. Lediglich eine Standard-Software für die genutzten 3D-Drucker sei dabei nötig. Aus diesem Grund stellen Vak und Kollegen ihre Steuersoftware als „Open-source“-Code anderen Arbeitsgruppen frei zur Verfügung. Sie sind davon überzeugt, dass sich mit diesem Schritt eine wirtschaftliche Serienfertigung von gedruckten, organischen Solarzellen schneller verwirklichen lässt. Da parallel die Investitionskosten für 3D-Drucker rapide sinken, wäre sogar eine Solarzellproduktion zuhause für den Eigenbedarf nicht mehr völlig undenkbar.

Jan Oliver Löfken

OD