Startseite > Smarter World > Smart Energy > Wichtiger Schritt in Richtung kosteneffizienter Polymer-Solarzellen

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

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Spraycoating des aktiven Layers von Polymer-Solarzellen

Mit P3HT:PCBM als Tinte wurde Ortho-dichlorobenzen (oDCB) als primäres Lösemittel verwendet, sowie Mesitylen als sekundäres Lösemittel. Die Mesitylen Volumen-Konzentration wurde zwischen 20 und 40 Vol.-Prozent variiert. Dies zeigte keinen Effekt auf die Uniformität oder die Absorptionsspektren des aktiven Layers. Allerdings scheint 30 Vol.-Prozent die optimale Konzentration im Hinblick auf das photovoltaische Verhalten der Zelle zu sein.

Die Absorptionsspektren wurden gemessen für aufgesprühte P3HT:PCBM-Layer, mit Deposition bei unterschiedlichen Substrat-Temperaturen, mit langsamem und schnellem Trocknen, sowie mit und ohne Tempern nach dem Trocknen. Deposition bei 55 °C mit langsamem Trocknen produzierte Filme mit einem guten Kompromiss zwischen Uniformität und Morphologie.

Da eine zusätzliche thermische Behandlung nach der Deposition im Hinblick auf eine gute Bulk-Heterojunction-Morphologie viel versprechend erschien, wurden mehrere Solarzellen bei 55 °C hergestellt und dann der Effekt des Temperns auf ihre Funktion untersucht, und zwar vor der Evaporation des Top-Kontakts. Eine per Spincoating erzeugte Referenzzelle derselben Dicke wurde mit langsamer Trocknung erzeugt, mit anschließender Temperung (80 - 130 °C).

Überraschenderweise zeigen die so per Spraycoating erzeugten Zellen einen Spitzen-Füllfaktor von 67 Prozent. Dieser vergrößert sich progressiv auf etwa 70 Prozent bei Temperung bis zu 110 °C - um dann bei weiterer Temperaturerhöhung wieder abzunehmen.

Der Prozess wurde erfolgreich auf unterschiedliche, kommerziell verfügbare P3HT-Materialien mit geringfügig unterschiedlichen regionalen Regularitäten und Molekulargewichten angewendet, um die universelle Gültigkeit der entwickelten Designregeln für die Tinte zu demonstrieren. Solarzellen mit vier unterschiedlichen P3HT-Materialien zeigen gutes Verhalten mit jedem dieser Materialien, in Übereinstimmung mit den per Spincoating erzeugten Zellen.

Das überraschendste Resultat betrifft den Füllfaktor von mehr als 70 Prozent für jedes der verwendeten Materialien. Dies zeigt, dass sich mit Spraycoating Filme erzeugen lassen, die bei einer Dicke von 200 bis 300 nm ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen.

Spraycoating des Hole-transport- und des aktiven Layers

Mit den für PEDOT:PSS und P3HT:PCBM definierten Designregeln der Tinte war das Verhalten von Zellen vergleichbar, bei denen beide Layer jeweils selektiv durch eine per Spincoating erzeugte Referenz ersetzt wurde. Dabei wurde deutlich, dass eine starke Ähnlichkeit zwischen Zellen mit Spincoating und Spraycoating besteht. Dies ist sehr wichtig für die industrielle Fertigung von Polymer-Solarzellen.

Außerdem wurde festgestellt, dass sich durch Ändern der Konzentration der P3HT:PCBM-Lösung die Dicke des aktiven Layers im Bereich 200 bis 500 nm variieren lässt. Diese Feststellung ist besonders relevant für industrielle Applikationen. Die Möglichkeit der Deposition dickerer Filme ohne Verlust an Wirkungsgrad vereinfacht die Prozesstechnik und erhöht die Fertigungsausbeute.

Fazit: Diese Experimente begründen erstmals die große Ähnlichkeit zwischen Polymer-Solarzellen, die per Spincoating oder Spraycoating hergestellt werden. Das beweist, dass Spraycoating eine wertvolle Alternative zu anderen Depositionsverfahren ist. Dies ist eine bedeutende Weiterentwicklung in Richtung kosteneffizienter Polymer-Solarzellen und ihrer Marktreife.