Es geht um organische Photovoltaikzellen (OPV), die im Vergleich zu traditionellen Siliziumzellen einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen, dafür jedoch biegsam und transparent sind.
Nur wenige Nanometer dick
Dadurch lassen sich die organischen Photovoltaikzellen funktionell und dekorativ zum Beispiel in die Fassadenelemente von Gebäuden integrieren. Die Entwicklung eines effizienten Produktionsprozesses soll die industrielle Massenproduktion von OPV-Zellen anschieben, um die Kosten zu senken.
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.
Ein ganzheitliches Verfahren
Im Vergleich zur klassischen Siliziumzelle fallen deutlich geringere Herstellkosten an, da energieintensive und kostenaufwendige 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.
Wenige Gramm Rohmaterial
Es will den neuen Produktionsprozess mit innovativen Analyse- und Prozesstechnologien ganzheitlich umsetzen. Durch hochauflösende Sensorik werden einzelne Prozessschritte überwacht und in die Prozessregelung implementiert.
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.
Der Laser als Zauberstab
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 Blitz
Dabei spielt ein Ultrakurzpulslaser eine wichtige Rolle, der in Femtosekunden arbeitet. Eine Femtosekunde ist 0,000000000000001 Sekunden (15 Stellen hinter dem 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 liegt darin, selektiv die einzelnen nanometerdicken Schichten abzutragen, ohne die darunter liegenden Schichten zu beschädigen oder Kurzschlüsse zu verursachen.
Partner aus Forschung und Industrie
Um den gesamten Prozess abzubilden, kooperiert das Fraunhofer ILT mit Laserexperten der Universität in Bochum. Weitere Partner sind der Maschinenbauer Coatema Coating Machinery aus Dormagen, Ortmann Digitaltechnik aus Attendorn und Limo aus Dortmund, die unter anderem optische Komponenten liefert.
Auch die Entwicklung der organischen Materialien hat inzwischen neue Standards erreicht. Diese neuartigen Materialien fließen in Effilayers ein.
Die Wissenschaftler hoffen, auf diese Weise den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen und OPV-Zellen für Indoor-Anwendungen nutzbar zu machen.
Denn bisher spielen sie in der Architektur kaum eine Rolle, nicht einmal als Nische. Zur Fachmesse The Smarter E Europe im Mai 2019 waren sie nur auf der Gemeinschaftsausstellung der Allianz für BIPV zu sehen.
Dort zeigte die Firma Opvius, welche gestalterischen Möglichkeiten die organischen Zellen und Module haben.
Auch wurden interessante Details zur elektrischen Verschaltung der organischen Zellen gezeigt.
Technik lässt Erstaunliches hoffen
Diese Technik steht noch ganz am Anfang, lässt aber Erstaunliches hoffen. Denn faktisch wird mit diesen Zellen die photovoltaische Stromerzeugung überall möglich – ohne Beschränkung durch Gewicht oder optische Kriterien.
Der Laser blitzt so kurz, dass das Licht nur 0,3 Mikrometer zurücklegt – hundertmal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Die Lasertechnik öffnet ganz neue Chancen der Produktion mit hohem Durchsatz und absoluter Präzision.
Prototyp einer Fertigungslinie für die OPV-Folien.