Technologie

Organische Photovoltaik auf Rollen

19.12.2019 - Technologien für die Rolle-zu-Rolle-Produktion von OPV-Zellen.

Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Laser­technik in Aachen entwickeln fünf Projekt­partner aus Industrie und Forschung im Vorhaben „EffiLayers“ Techno­logien für die Rolle-zu-Rolle-Produktion organischer Photo­voltaik. Ziel dieses NRW-Leit­markt­projekts ist es, den in Nordrhein-Westfalen ansässigen Maschinen­herstellern eine Vorreiter­rolle im Markt der flexiblen Dünn­schicht-Solar­zellen und gedruckten Elektronik zu ermöglichen. Es geht um organische Photo­voltaik­zellen, die im Vergleich zu traditio­nellen Solar­zellen auf Silizium­basis einen geringeren Wirkungs­grad aufweisen, dafür jedoch biegsam und trans­parent sind. Dadurch lassen sich diese OPV-Zellen funktionell und dekorativ etwa in Fassaden von Gebäuden integrieren. Die Entwicklung eines effi­zienten Produktions­prozesses soll die indus­trielle Massen­produktion von OPV-Zellen anschieben.

Die einzelnen Schichten der OPV-Zellen sind nur wenige Nanometer dick. Durch das groß­flächige Beschichten flexibler Träger mittels Dünn­schicht­technik werden nur geringe Material­mengen benötigt, wodurch eine ressourcen­schonende Fertigung möglich ist. Durch die Umsetzung des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens kann zudem eine Produktion im indus­tri­ellen Maßstab realisiert werden. Im Vergleich zur klassischen Silizium-Photo­voltaik­produktion fallen hier auch geringere Herstell­kosten an, da energie­intensive und kosten­auf­wändige Prozess­schritte entfallen.

In den Vorgängerprojekten FlexLas und PhotonFlex standen bereits einzelne Schritte des komplexen Rolle-zu-Rolle-Produktions­prozesses von OPV-Zellen im Mittel­punkt. Im September 2019 startete das Forschungs­projekt EffiLayers mit dem Ziel, den Produktions­prozess unter Verwendung inno­va­tiver Analyse- und Prozess­techno­logien ganz­heitlich umzu­setzen. Durch hoch­auf­lösende Sensorik werden einzelne Prozess­schritte über­wacht und in eine Prozess­regelung imple­men­tiert.

„Wir möchten den Prozess industrienah umsetzen“, erklärt Ludwig Pongratz vom Fraun­hofer-ILT. „Unser Ansatz besteht darin, teure, energie­intensive Sputter-Verfahren durch nass­chemische Beschichtungs­verfahren zu ersetzen.“ Die funktio­nellen Schichten werden über nass­chemische Lösungen mittels beheiz­barer Schlitz­düsen-Beschichtung über­ein­ander auf­ge­tragen. Die 10 bis 250 Nano­meter dicken Schichten werden mit verschiedenen Laser­quellen aus dem Kurzpuls- und Ultra­kurz­puls­bereich bearbeitet. Im fort­laufenden Prozess werden Laser­trocknung und Dünn­schicht­abtrag 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 das Herstellen von OPV-Zellen mit einer Fläche von zehn Quadrat­metern benötigen wir nur drei Gramm organisches Aktiv­material“, so Pongratz.

Im Forschungsprojekt EffiLayers über­nimmt ein Ultra­kurz­puls­laser im Femto­sekunden­regime eine wichtige Rolle. Er separiert die einzelnen Schichten, sodass einzelne Zellen per Serien­schaltung mit­ein­ander verbunden sind. „Wir führen beim Laser Scribing 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 besteht darin, selektiv die einzelnen Nanometer dicken Schichten abzu­tragen, ohne die darunter liegenden Schichten zu beschädigen oder Kurz­schlüsse zu verursachen.“

Auch die Entwicklung im Bereich der organischen Materialien hat inzwischen neue Standards erreicht. Diese neu­artigen Materialien fließen in EffiLayers ein, um eine deutliche Erhöhung des Solar­zellen-Wirkungs­grads zu erzielen und OPV-Zellen auch für Indoor-Anwendungen nutzbar zu machen.

Fh.-ILT / RK

Weitere Infos:

 

Funktionsprinzip einer HiPace Turbopumpe in 3D


HiPace Turbopumpen eignen sich für höchste Anforderungen unter anderem in der Fusionsforschung, Elementarteilchenphysik oder Laseranwendung.

Wir zeigen Ihnen hier wie genau die Turbopumpe funktioniert!

 

 

Erfahren Sie mehr über die HiPace Turbopumpen

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren

Pro Sekunde werden durch Korrosion weltweit ca. 5 Tonnen Stahl zersetzt, was zu Schäden führt, die jährlich etwa 2 Billionen Euro kosten. Ebenfalls sind zahlreiche Chemieunfälle, Gasexplosionen und Umweltverschmutzungen auf Korrosionsschäden zurückzuführen. Es gibt also gute Gründe, sich intensiv mit effektiven Schutzmaßnahmen zu beschäftigen.

 

Jetzt registrieren!

Lithium-Ionen-Akkus modellieren

Der Bedarf, Lithium-Ionen-Akkus weiter zu verbessern, macht eine mathematische Modellierung notwendig. Simulationen erlauben es, Entwurfsparameter und Betriebsbedingungen zu analysieren, wie das Whitepaper und ein Webinar erläutern.

Whitepaper lesen!

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren

Pro Sekunde werden durch Korrosion weltweit ca. 5 Tonnen Stahl zersetzt, was zu Schäden führt, die jährlich etwa 2 Billionen Euro kosten. Ebenfalls sind zahlreiche Chemieunfälle, Gasexplosionen und Umweltverschmutzungen auf Korrosionsschäden zurückzuführen. Es gibt also gute Gründe, sich intensiv mit effektiven Schutzmaßnahmen zu beschäftigen.

 

Jetzt registrieren!

Lithium-Ionen-Akkus modellieren

Der Bedarf, Lithium-Ionen-Akkus weiter zu verbessern, macht eine mathematische Modellierung notwendig. Simulationen erlauben es, Entwurfsparameter und Betriebsbedingungen zu analysieren, wie das Whitepaper und ein Webinar erläutern.

Whitepaper lesen!