Forscher wollen hauchdünne organische Zellen von der Rolle fertigen und die Elektronik aufdrucken. Im Projekt Effilayers nutzen sie neuartige Femtolaser und spezielle Materialien.
Es geht um organische Photovoltaikzellen (OPV), die im Vergleich zu traditionellen Siliziumzellen einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen, dafür jedoch biegsam und transparent sind. Dadurch lassen sich OPV-Zellen funktionell und dekorativ zum Beispiel 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 werden nur geringe Materialmengen benötigt, das schont die Ressourcen und die Kosten. Mit Hilfe von Rolle-zu-Rolle-Verfahren könnte man eine Produktion im industriellen Maßstab aufbauen. Im Vergleich zur klassischen Siliziumzellen fallen deutlich geringere Herstellkosten an, da energieintensive und kostenaufwändige Prozessschritte entfallen.
In den Vorgängerprojekten Flexlas und Photonflex standen einzelne Schritte des komplexen Rolle-zu-Rolle-Prozesses für OPV-Zellen im Mittelpunkt. Seit Herbst 2019 läuft das Forschungsprojekt Effilayers. Es will den neuen Produktionsprozess mit innovativen Analyse- und Prozesstechnologien ganzheitlich umsetzen. Durch hochauflösende Sensorik werden einzelne Prozessschritte überwacht und in die Prozessregelung implementiert.
Wenige Gramm Rohmaterial
Die Forscher von fünf beteiligten Partnern möchten den Prozess industrienah umsetzen. „Es geht darum, teure und energieintensive Sputterverfahren durch nasschemische Beschichtungen zu ersetzen“, erklärt Ludwig Pongratz vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen.
Die funktionellen Schichten werden über nasschemische Lösungen mittels beheizbarer Schlitzdüsen übereinander geschichtet. Die zehn bis 250 Nanometer dicken Schichten werden mit verschiedenen Laserquellen aus dem Kurzpuls- und Ultrakurzpulsbereich bearbeitet. Im fortlaufenden Prozess werden Lasertrocknung und Laserdünnschichtabtrag 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 OPV-Zellen mit einer Fläche von zehn Quadratmetern benötigen wir nur drei Gramm organisches Aktivmaterial“, rechnet Ludwig Pongratz vor.
Ein ultrakurzer Laserblitz
Dabei spielt ein Ultrakurzpulslaser eine wichtige Rolle, der in Femtosekunden arbeiten. Eine Femtosekunde ist 0,000000000000001 Sekunden (15 Stellen hinterm Komma) lang. In dieser kurzen Zeit bewegt sich der Lichtstrahl nur rund 0,3 Mikrometer, etwa ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.
Der Laser separiert die einzelnen Schichten, sodass einzelne Zellen per Serienschaltung miteinander verbunden sind. „Wir führen 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. (HS)
Den vollständigen Report lesen Sie im nächsten Heft (Januar/Februar 2020) der photovoltaik, das am 20. Februar 2020 erscheint. Diese Ausgabe steht ganz im Zeichen der unabhängigen Versorgung von Gebäuden mit Strom, Wärme und Energie für die E-Mobilität – durch kombinierte Systeme aus Photovoltaik, Brennstoffzellen oder BHKW. Abonnenten können alle Beiträge nach Erscheinen auch online lesen.
In unserem neuen Webshop gibt es unsere Hefte zudem auf Einzelbestellung.
Unser Newsletter erscheint zweimal wöchentlich! Noch mehr Produkte, News und praktische Tipps für die Profis unserer Branche!
