IMEC-Forscher setzen bei organischen Solarzellen auf Spraycoating als Alternative zum Spincoating
Wichtiger Schritt in Richtung kosteneffizienter Polymer-Solarzellen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Spraycoating von Solarzellen
Das Forscherteam um Dr. Jef Portmans optimiert derzeit das Spraycoating-Verfahren in allen seinen Facetten - die Art der Lösungsmittel, deren Konzentrationen, Depostionsraten, Substrat-Temperaturen und andere Bedingungen. Das Ziel ist eine vollständig durch Sprühverfahren erzeugte organische Solarzelle mit gutem Wirkungsgrad und Füllfaktor.
Frühere Ergebnisse haben gezeigt, dass der aktive Layer und metallische Elektroden mit Erfolg per Spraycoating erzeug bar sind. Andererseits zeigen diese Ergebnisse auch, dass das Aufsprühen zu rauer Deposition führt, mit Spitzen und Tälern bis zu einigen Zehntel-Mikrometern. Diese Rauhigkeit hat einen negativen Einfluss auf den Füllfaktor der resultierenden Solarzelle und begrenzt diesen oft auf Werte unter 55 Prozent. Im Vergleich zu standardmäßigen organischen Zellen ist das ein recht niedriger Wert. Daraus wird klar, dass Spraycoating trotz vieler Vorteile in der industriellen Fertigung kein Ersatz für das Spincoating ist - solange nicht die Dickenvariation der Depositionsschichten reduziert und fein kontrolliert werden kann.
Im Folgenden wird darum das Thema Spraycoating im Hinblick auf die Realisierung eines Loch-Transport-Layers (hole transport layer, HTL) und des aktiven Heterojunction-Layers in Polymer-Solarzellen diskutiert. Konkret wird ein 40-nm-Layer aus PEDOT:PSS für den HTL und Schichten mit 200 bis 250 nm Dicke aus P3HT:PCBM für den aktiven Layer angestrebt: Alle mit geringer Oberflächenrauheit. Bei diesen Experimenten kommt ein computergesteuerter Ultraschall-Spraycoater zum Einsatz.
Spraycoating des Hole-transport Layers von Polymer-Solarzellen
Für die PEDOT:PSS-Tinte ist deionisiertes Wasser (DIW) das primäre Lösemittel. Isopropanol (IPA) wird als sekundäres Lösemittel genutzt. Die bei IMEC ausgeführten Experimente zeigen, dass die IPA-Konzentration im Bereich 55 bis 81 Vol.-Prozent liegen sollte. Unterhalb 55 Prozent erzeugt die gelöste Tinte zwar eine gute Verteilung, aber eine schlechte Uniformität des Films. Oberhalb 81 Prozent wurden Instabilitäten in der Tinte während der Deposition beobachtet. Ein Volumenanteil von 73 Vol.-Prozent wurde gewählt, weil dies eine höchst uniforme Deposition erzeugt. Außerdem wurden 18 Vol.-Prozent PEDOT:PSS und 9 Vol.-Prozent DIW verwendet. Dies resultiert in Schichtdicken der Deposition zwischen 20 und 40 nm.
Um die Effekte der Evaporation zu untersuchen, wurden Substrat-Temperaturen zwischen 30 und 75 °C (dicht am Siedpunkt von IPA) getestet. Bei 75 °C trocknet die Flüssigkeit sofort beim Auftreffen auf das Substrat. Die Tinte verteilt sich nicht, sondern bildet gut sichtbare »Kaffeeringe«. Diese Situation verbessert sich bei 55 °C, doch werden damit die äußeren Bereiche des Substrats noch nicht abgedeckt, und es treten immer noch Kaffeeringe auf. Die besten Resultate ergeben sich bei einer Substrat-Temperatur von 30 °C. Bei dieser Temperatur stellt sich eine vollständige Benetzung der gesamten Oberfläche ein. Nach einer Trockenzeit von ≥20 Sekunden verbleibt ein hoch uniformer Film.
Mit einem festen IPA-Volumenanteil von 73 Prozent und einer Substrat-Temperatur von 30 °C wurde sodann der Effekt der PEDOT:PSS-Konzentration untersucht. Ergebnis: Die Dicke der Deposition variiert nahezu linear von 15 nm (9 Vol.-Prozent), über 40 nm (18 Vol.-Prozent) bis zu 55 nm (27 Vol.-Prozent). Da die bevorzugte Schichtdicke des Hole-Transport-Layers 40 nm beträgt, wurde die PEDOT:PSS-Konzentration auf 18 Vol.-Prozent eingestellt.
Als Nächstes wurde die Depositionsrate getestet. Dabei hat sich gezeigt, dass die Schichtdicke nicht von der Depositionsrate beeinflusst wird. Der per Spraycoating mit den erwähnten Variablen erzeugte HTL wurde in einen durch Spincoating erzeugten aktiven Layer aus P3HT:PCBM integriert. Der photovoltaische Effekt der resultierenden Solarzelle wurde anschließend gemessen.
Die Ergebnisse zeigen: Die optimale Deposition beträgt 18:9:73 Vol.-Prozent (PEDOT:PSS):DIW:IPA. Dabei ist die Substrat-Temperatur 30°C, während sich die Flussrate frei zwischen 1,5 ml min-1 und 3,5 ml min-1 wählen lasst, um eine uniforme Abdeckung zu erzielen. Eine geringere Flussrate ist empfehlenswert, wenn der Materialverbrauch kritisch ist.
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- Spraycoating des aktiven Layers von Polymer-Solarzellen
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