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IMEC-Forscher setzen bei organischen Solarzellen auf Spraycoating als Alternative zum Spincoating

Wichtiger Schritt in Richtung kosteneffizienter Polymer-Solarzellen

30. August 2011, 17:52 Uhr | Dr. Els Parton, Wissenschaftsredakteurin am IMEC

Organische Solarzellen, zu Modulen aus jeweils 10 Einheiten mit monolithischer Serienschaltung verbunden. Die Solarzellen haben einen per Spraycoating erzeugten aktiven Layer (P3HT:PCBM). Ihre Herstellung erfolgt auf einem Glassubstrat.

Wissenschaftler am belgischen Forschungszentrum IMEC arbeiten an einer vollständig durch Sprühverfahren erzeugten organischen Solarzelle mit gutem Wirkungsgrad und Füllfaktor. Dazu optimieren sie das Spraycoating-Verfahren in all seinen Facetten. Ihr Fazit: Spraycoating ist die bessere Alternative zu Spincoating.

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Polymer-Solarzellen versprechen eine Vielzahl neuartiger photovoltaischer Anwendungen - von der Integration in Textilien über Produktverpackungen bis zu Vorhängen oder Wandbelägen. Dazu müssten die flexiblen, leichten, organischen Solarzellen im preisgünstigen Massendruck von der Rolle gedruckt werden. Mit der gegenwärtigen Technik des Spincoating ist das kaum zu schaffen. Spraycoating ist eine bessere Alternative.

Die derzeit eingesetzten Solarzellen aus kristallinem Silizium erreichen Wirkungsgrade von 15 bis 18 Prozent. Organische Solarzellen (OSC) hingegen liefern aktuell 4 bis 8 Prozent. Doch die Industrie ist stark an organischen Zellen interessiert: Sie ermöglichen mechanische Flexibilität und großflächige Ausführungen, mit dem Potenzial preisgünstiger Fertigung. Außerdem arbeiten sie gut unter ungünstigen Lichtverhältnissen und bei nicht-rechtwinkliger Einstrahlung.

Low-cost - Large-scale

Organische Solarzellen gibt es in vielerlei Gestalt. Die beiden Hauptgruppen sind OSC auf der Basis von kleinen Molekülen und solche aus Polymeren. Solarzellen mit kleinen Molekülen werden typisch im Evaporationsverfahren mit planarer Struktur erzeugt, ähnlich wie die Halbleiterübergänge in Silizium-Solarzellen. Polymer-basierte OSC dagegen entstehen aus einer Lösung und zeigen eine andere Struktur: Bulk-Heterojunction, mit vollständiger Vermischung der Donor- und Akzeptormaterialien.
Das Potenzial der preisgünstigen Fertigung von Polymer-Solarzellen gründet sich zum Teil auf der für den aktiven Layer benötigten Materialmenge. Polymere sind recht teuer - dafür ist der aktive Layer sehr dünn: nur 0,1 bis 0,3 µm im Vergleich zu 100 bis 200 µm in Silizium-Solarzellen.
Außerdem trägt das Potenzial einer hochvolumigen Massenfertigung zur Kosteneffizienz der Polymer-Solarzellen bei. Ein Forscherteam am IMEC, um Jef Portmans, den Direktor des strategischen SOLAR+-Programms am IMEC, untersucht dazu derzeit die Verwendbarkeit unterschiedlicher Depositionsverfahren.

Depositionsverfahren für Polymer-Solarzellen

Spincoating: Spincoating arbeitet mit dem Auftragen einer Lösung auf dem mit hoher Drehzahl rotierenden Substrat, um die Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen. Dies ist die heute am häufigsten verwendete Technik. Nachteilig beim Spincoating ist dessen Begrenzung auf kleine Flächen, ohne Skalierbarkeit für Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren. Gerade das aber ist ein wichtiger Schritt zur Massenfertigung von Polymer-Solarzellen.
Screenprinting: Der Siebdruck (screenprinting) ist ein für Polymer-Solarzellen gut geeignetes Depositionsverfahren, denn er ist in der PV-Industrie gut eingeführt. Allerdings arbeitet der Siebdruck mit viskösen Pasten, während die für OSC eingesetzten Polymere eher flüssiger Natur sind. Eine Option besteht darin, die Polymer-Lösungen mehr viskös machen.

Inkjet-Druck

Mit dem heutigen fortschrittlichen Equipment ist die Depositionsrate hoch genug, um OSC im industriellen Maßstab zu produzieren. Inkjet hat den Vorteil, dass man alle möglichen Substrate mit unterschiedlichen Morphologien einsetzen kann. Der Nachteil: Die aufgedruckten Tintenpartikel (droplets) benötigen beträchtliche Zeit zum Trocknen durch das Verdampfen des Lösungsmittels.

Spraycoating

Spraycoating ist eine Technik, die alle eben genannten Nachteile überkommen könnte. Dabei wird die Polymer-Lösung auf das Substrat aufgesprüht. Das ist ein preisgünstiges und schnelles Verfahren, das sich großflächig auf den verschiedensten Substraten einsetzen lässt. Überdies kann man ein breites Spektrum von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Fließeigenschaften verwenden. Der flüssige Zustand der Polymer-Lösung ist kein Nachteil, und die Tropfen sind sehr klein - was die Trockenzeit begünstigt. Kurze Trockenzeiten implizieren eine schnelle Verdampfung des Lösungsmittels. In diesem Fall kann dieses nicht die unterliegende Funktionsschicht angreifen und eventuell den Heterojunction-Layer schädigen. Allerdings ist auch Spraycoating nicht ganz problemlos: etwa bei der Kontrolle der Dicke und Rauhigkeit des aufgesprühten Films.