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Organische Solarmodule

Organische Solarzellen erreichen heute Wirkungsgrade von über 10%. Jedoch beschränken sich diese Rekorde in der Regel auf kleine Solarzellen, die unter Laborbedingungen hergestellt werden. Tintenstrahldruck, Sprühbeschichtung, Rakeln und Schlitzgießen sind nur einige der Drucktechniken, die für eine großflächige, kostengünstige Herstellung von organischen Solarmodulen mit geringen Energierückgewinnungszeiten und hervorragender CO2-Bilanz geeignet sind. Um größere Solarmodule mit vergleichbaren Wirkungsgraden herzustellen, ist eine monolithische Verschaltung mit einem möglichst geringen photovoltaisch inaktiven Verschaltungsbereich, d.h. hohem geometrischen Füllfaktor, nötig. Mechanische, chemische und Laserstrukturierung ermöglichen die serielle Verschaltung der Solarzellen zu Modulen. Besonders die Laserstrukturierung ermöglicht geometrische Füllfaktoren von über 95% und die selektive Ablation einzelner Schichten.

Mechanisch flexible, vollständig flüssigprozessierte, Indiumzinnoxid (ITO)-freie organische Solarzellen auf Polyethylenterephthalat (PET) erreichen Wirkungsgrade von bis zu 4,8%. Die mechanischen Eigenschaften werden dabei von den Elektroden bestimmt. Diese bestehen entweder aus MOD- (engl., metal organic decomposition) Silbertinten oder einer Kombination aus dem hochleitfähigem Polymergemisch Poly-3,4-ethylendioxythiophen:Polystyrolsulfonat und Silbernanodrähten. Beide Elektroden überstehen hohe Zug- und Biegebelastungen. Der Einfluss der mechanischen Belastungen wurde in-situ bei gleichzeitiger Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinien unter Beleuchtung an gedehnten Solarzellen untersucht. Auch bei Substrat-Dehnungen von 14%, die einem Biegeradius von ca. 1 mm entsprechen, konnten noch 90% der Ausgangsleistung der unbeanspruchten Solarzelle gemessen werden. Dies ist ein enormer Zugewinn an mechanischer Belastbarkeit im Vergleich zu ITO-Elektroden auf PET.
Wenn Fertigungsprozesse aus dem Labor auf Solarmodule größerer Ausdehnung übertragen werden sollen, ist die laterale Strukturierung der Module wichtig, um die Solarzellenströme und somit die ohmschen Verluste zu reduzieren. Mit Ultrakurzpuls-Lasern ergeben sich viele Möglichkeiten, verschiedene Arten von Dünnschichten zu strukturieren. Wir strukturieren ITO auf Glas und Silber auf PET-Substraten unter Verwendung eines 90 fs gepulsten Lasersystems mit beliebigen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Die Linienbreite des strukturierten ITO beträgt lediglich 5 µm. Das Glassubstrat wird durch die Strukturierung nicht beschädigt, und die Kantenhöhe der Strukturierungslinien sind niedriger als 30 nm. Ähnliches gilt für Silber mit einer Linienbreite von 2 µm und einer Kantenhöhe von unter 150 nm. Auch hier wird das PET-Substrat nicht beschädigt. Die geringe Höhe der Kanten verhindert Kurzschlüsse auch bei Verwendung der nur wenige hundert Nanometer dicken Absorberschichten aus organischen Halbleitern. Weiterhin sind mit solchen Linienbreiten sehr hohe geometrische Füllfaktoren erzielbar.

Unter Verwendung mechanischer und laserbasierter Strukturierung stellen wir monolithisch verschaltete Solarmodule mit aktiven Modulflächen von über 20 cm2 auf starren Trägern (z.B. Glas) oder in Rolle-zu-Rolle tauglichen Prozessen auf mechanisch flexiblen Trägern (z.B. PET) her. Mit unserer großen Erfahrung im Umgang mit flüssigprozessierten und aufgedampften Elektrodensystemen  sowie organischen Halbleitern können wir anwendungsspezifisch optimierte semitransparente und opake Solarmodule herstellen auf mechanisch flexiblen oder starren Trägern in einem breiten Bereich von möglichen Wirkungs- und Transmissionsgraden.

Consumer- oder Lifestyle-Anwendungen profitieren von der Farbvielfalt organischer Halbleiter. Besonders semitransparente Solarzellen ermöglichen neue Einsatzmöglichkeiten in Fenstern, Fassaden oder Jalousien. Gerade die Fensterintegration benötigt aber farbneutrale Solarmodule, die das Licht nur gedämpft, aber spektral unverändert, transmittieren, d.h. mit sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften. Wir konnten diese Anforderungen durch Ausnutzen der Dünnschichtinterferenzen des Solarzellen-Schichtstapels und durch Verwendung geeigneter organischer Absorbermaterialien verwirklichen ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen. Weiterhin können auch spektral zunächst ungeeignete Absorber eingesetzt werden durch die Integration eines komplementär absorbierenden Farbstoffs in der flüssigprozessierte Elektrode.

Zum Weiterlesen:

  • J. Czolk et al., Mechanically Flexible, Semi-Transparent Organic Solar Cells Doctor Bladed from Non-Halogenated Solvents, Adv. Mater. Technol., 2016, 1600184, DOI:10.1002/admt.201600184.

  • F. Nickel et al., Mechanically robust, ITO-free, 4.8% efficient, all-solution processed organic solar cells on flexible PET foil, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2014, 130, 317, DOI: 10.1016/j.solmat.2014.07.005.
  • J. Czolk et al., Inverted Semi-transparent Polymer Solar Cells with Transparency Color Rendering Indices approaching 100, Adv. Energy Mater., 2013, 3, 386, DOI: 10.1002/aenm.201200532.
  • A. Colsmann et al., Efficient Semi-Transparent Organic Solar Cells with Good Transparency Color Perception and Rendering Properties, Adv. Energy Mater., 2011, 1, 599, DOI: 10.1002/aenm.201000089.