Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Organische Solarzellen auf ultradünnem Glas
Organische Solarmodule haben viele Vorteile, unter anderem eine effiziente Produzierbarkeit zu geringen Herstellungskosten. Eine Schwachstelle ist allerdings die eingeschränkte Lebensdauer, die durch flexibles Glas als Trägersubstrat deutlich verlängert werden kann.
In elektronischen Geräten kommen sie heute teilweise schon zum Einsatz: organische Solarmodule (OPVs), die in eine Folie eingebettet sind. Solche OPVs sind eine vielversprechende Alternative zu siliziumbasierten Solarzellen. So lassen sich die Materialien auch unter Atmosphärendruck verarbeiten. Vor allem aber können die Module mittels Drucktechniken hergestellt werden – das ist schneller und effizienter als die aufwändigen Prozesse, die zur Fertigung von anorganischen Bauteilen nötig sind. Voraussetzung für eine Fertigung im Druckverfahren ist ein flexibles substratartiges Trägermaterial. Bislang kommen Polymerfolien zum Einsatz, die jedoch einen großen Nachteil haben: Die Folien sind bis zu einem gewissen Grad durchlässig für Wasserdampf und Sauerstoff. Beide greifen die empfindlichen Solarmodule an und vermindern deren Lebensdauer beträchtlich! In Abhängigkeit von den Anwendungen haben bisher Substrate mit Barriere-Schichten die OPV-Module geschützt. Für höhere Prozesstemperaturen und eine längere Lebensdauer muss man andere Trägersubstrate verwenden.
Solarmodule in Glas eingebettet
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam arbeiten derzeit mit einem neuen Trägermaterial: Sie betten die Solarmodule in hauchdünnes Glas ein. »Glas ist nicht nur ein ideales Verkapselungsmaterial, sondern hält auch Bearbeitungstemperaturen bis zu 400 Grad aus«, schildert Danny Krautz, Projektleiter in der Abteilung Funktionsmaterialien und Bauelemente am IAP. Bei den Forschungsarbeiten kommt ein Spezialglas der Corning Inc. zum Einsatz. Dank der speziellen physikalischen Eigenschaften des Spezialglases lassen sich Lagen von nur 100 µm Dicke realisieren. Mit diesem Material konnten die Potsdamer Forscher gemeinsam mit dem Kooperationspartner Corning in Sheet-to-Sheet-Prozessen schon erste funktionsfähige OPVs realisieren. Die Verarbeitung funktioniert dabei in Stapeln.
Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren
Ziel ist es nun, diese Module auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu fertigen: Ähnlich wie beim Zeitungsdruck wird dabei das Trägersubstrat auf einer Rolle aufgewickelt. Gegenüber befindet sich eine leere Rolle. Zwischen beiden Rollen werden in mehreren Prozessen die photoaktiven Schichten und Elektroden aufgedruckt. Mit dieser Fertigungstechnologie lassen sich große Flächen effektiv in Serie herstellen. Einen ersten Test, das flexible Glas auf diese Weise zu bearbeiten, hat das IAP-Team bereits unternommen: »Uns ist es gleich im ersten Anlauf gelungen, mit kleineren Substratgrößen homogene Schichten herzustellen«, erläutert Danny Krautz. Damit das Verfahren industriellen Ansprüchen genügt, muss die Prozesstechnologie an vielen Stellen angepasst werden – doch daran arbeiten die Potsdamer bereits.
Mit der Technologie ließen sich langfristig robuste und leistungsstarke organische Solarmodule für unterschiedliche Anwendungen realisieren – von winzigen Solarzellen im Mobiltelefon bis hin zu großflächigen Photovoltaikmodulen.
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