Hintergrund

Bei der Herstellung gedruckter organischer Solarzellen wurden in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. So hat die in USA basierte Firma Konarka Technologies erste Solarzellen auf den Markt gebracht, die Moduleffizienzen von bis zu 2% aufweisen bei einer Lebensdauer von 1 bis 2 Jahren [1].

Die Gruppe um Krebs in Risø/Dänemark verfolgt verschiedene Projekte um mittels lösungsprozessierter OPV kostengünstig Energie (insbesondere Licht) in schlecht versorgte Regionen der Erde, insbesondere Zentralafrika, zu bringen [2].

In Konkurrenz zu lösungsprozessierbaren Solarzellen wie oben beschrieben hat Heliatek in Dresden eine Rolle-zu-Rolle Anlagentechnologie für im Vakuum aufdampfbare Systeme aufgebaut und 2012 die Aufnahme der Pilotproduktion angekündigt (z.B. Pressemitteilung Heliatek August 2012, www.heliatek.com/newscenter/presse/). Heliatek hat bereits Labormuster von Solarzellen unterschiedlichen Farbeindruckes mit Zelleffizienzen bis zu 12% demonstriert. Die bei diesem Zellaufbau verwendeten „kleinen Moleküle“ sind jedoch nur für vakuumbasierte R2R-Prozesse geeignet. Solarzellen auf der Basis von Polymeren lassen sich tendenziell kostengünstiger herstellen, da in der Produktion kein Hochvakuum benötigt wird. Mit neuen Polymeren in Verbindung mit Fullerenen werden auch hier inzwischen Effizienzwerte über 9 % erreicht [4]. Z. He et al., Nature Photonics, 6, 591 (2012).

Bei allen Produktionstechniken wird bisher immer der Weg linearer Strukturen verfolgt, Freiformen oder ornamentale Strukturen werden bisher nicht umgesetzt.

Erste Nischenprodukte der OPV wie z.B. Rucksäcke mit integrierten, opaken Solarmodulen, sind inzwischen auf dem Markt, allerdings wird für eine breite Anwendung der OPV neben der Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz insbesondere die Möglichkeit der OPV sie semitransparent zu gestalten als essentiell angesehen.

Das Materialsystem P3HT:PCBM hat gut erforschte Grenzen. Wie gezeigt wurde, lässt sich durch neue Donor-Polymere mit kleiner Bandlücke (<1.5 eV) eine Effizienz von mehr als 10% erreichen (M.A. Green et al., Prog. Photovolt: Res. Appl., 2012, 20, 606.) [4]. Allerdings wurden auch erhebliche Zweifel an der Langzeitstabilität vieler dieser neuen Materialsysteme geäußert [5]. Eine Bewertung der praktischen Einsetzbarkeit muss daher noch erfolgen. Durch den Einsatz solcher low-bandgap Polymere für semi-transparente Zellen kann ein großer Bereich im Farbkoordinatendiagramm adressiert werden und eine maßgeschneiderte Farbwiedergabe der Solarzelle erreicht werden [6]. Semitransparente organische Solarzellen mit Effizienzen von 5-6 % wurden vor kurzem berichtet. Die mittlere Transmission liegt in diesen Bauelementen allerdings lediglich bei 25% und die transparenten Elektroden wurden in Vakuumprozessen hergestellt (Adv. Energy Mater., 3, 417; Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9551) [6, 7]. Demgegenüber liegen die Effizienzen von flüssig prozessierten semi-transparenten Zellen bei 2-4% [Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1711; ACS Nano, 2012, 6, 7185–7190].

Für die Lebensdauer von OPV spielen neben den aktiven Materialien auch die Elektroden eine wesentliche Rolle. Daher müssen instabile Elektrodenmaterialien (Ca, Li, Al, etc.) durch stabilere Materialien mit geeigneten Zwischenschichten ersetzt werden. Hierfür kommen Übergangsmetalloxide bzw. konjugierte Polyelektrolyte (CPE) in Frage.

Bei semitransparenten Zellen liegt die Herausforderung in der Umsetzung von zwei transparenten, leitfähigen Elektroden im Zellaufbau. Die transparente Top-Elektrode wird bislang weitgehend mittels Vakuumprozessen aufgebracht. Besonders attraktiv erscheint die Erzeugung von transparenten Elektroden aus alkoholischen Dispersionen von Ag oder Cu Nanodrähten [8], deren Einsatz für effiziente transparente Solarzellen und die Verarbeitbarkeit in Druckprozessen sind bislang allerdings wenig erforscht.

Ein anderer vielversprechender Ansatz wurde von der Gruppe von Prof. Yang Yang gezeigt [9]. Hier wurde eine semitransparente Zelle durch einen Laminierprozess hergestellt. Beim Laminieren werden zwei Folien mit zwei transparenten Kontakten oder einem transparenten und einem opaken Kontakt mit Teilschichten der organischen Solarzelle bedruckt und anschließend zusammenlaminiert. Der Vorteil ist hierbei, dass die Problematik des gedruckten Kontaktes auf Organik umgangen wird und beide Kontakte vor der eigentlichen Zellherstellung aufgebracht und optimiert werden können, ohne prozesstechnische Limitierungen der empfindlichen photoaktiven Schichten.

Druckverfahren wie der Tief-, Sieb,- und Flexodruck einschlieslich der zugehorigen Druckformtechnologien sind bisher weitgehend nur fur visuelle Druckapplikationen entwickelt bzw. optimiert worden und bieten daher Qualitatsstandards, die den Anforderungen an gedruckte Elektronik nur in wenigen Punkten gerecht werden. Hier stehen typische Auflosungen von 150 µm Forderungen nach deutlich unter 20 µm gegenuber [10].

Die in der Tiefdruckformherstellung erst vor Kurzem in den Fokus gerückte Direktlasergravur bietet zwar entsprechende Potenziale, der Prozess muss jedoch noch erforscht werden, um die geforderte Qualität zu erreichen [11].

Bislang unerforscht ist die Integration einer standardisierten Steuerung in die OPV-Module und auch das „Zusammenspiel“ zwischen Steuerelektronik, Solarzellen und Energiespeicher (Akku).

Quellennachweis

  1. http://www.conrad.de/ce/de/product/110487/PP-120-ORGANISCHESMODUL/0509084&ref=list
  2. F.C. Krebs, T. Tromholt, M. Jørgensen, Nanoscale 2010 2, 873.
  3. J. Meiss et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 99, 043301 (2011).
  4. P. L. T. Boudreault, A. Najari, M. Leclerc, Chem Mater 2011, 23, 456. Seite 10 von 35
  5. M. Helgesen, T. J. Sorensen, M. Manceau, F. C. Krebs, Polymer Chemistry 2011, 2, 1355.
  6. A. Colsmann, A. Puetz, A. Bauer, J. Hanisch, E. Ahlswede, U. Lemmer, Advanced Energy Materials 2011, 1, 599.
  7. H. Schmidt, H. Flugge, T. Winkler, T. Bulow, T. Riedl, W. Kowalsky, Appl Phys Lett 2009, 94, 243302.
  8. Y. Cui, L. B. Hu, H. S. Kim, J. Y. Lee, P. Peumans, Acs Nano 2010, 4, 2955; M. D. McGehee, B. E. Hardin, W. Gaynor, I. K. Ding, S. B. Rim, P. Peumans, Org Electron 2011, 12, 875.
  9. B.A. Bailey M.O. Reese, D.C. Olson, S.E. Shaheen, N. Kopidakis, Org. Electr. 12, 108 (2011).
  10. E. Hrehorova, M. Rebros, A. Pekarovicova, in NIP24 and Digital Fabrication 2008, (2008), pp. 260–264.
  11. L. Engisch, Flexo+Tief-Druck 5, 1–6 (2010).