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„PhotonFlex“ – Photonische Prozesskette zur Fertigung flexibler organischer Solarzellen im Rolle-zu-Rolle Verfahren.

Im Projekt „PhotonFlex“ entwickeln Coatema und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) zusammen mit der Ruhr-UniversitätBochum (RUB), Ortmann Digitaltechnik GmbH und LIMO GmbH eine vollständige Rolle-zu-Rolle (R2R)-Prozesskette für organische Photovoltaik (OPV) mittels innovativer laserbasierter Fertigungstechnik.

Nach einem Einbruch der Photovoltaik-Branche in den vergangenen Jahren gewinnen Solarzellen als Teil einer nachhaltigen regenerativen Energieversorgung wieder zunehmend an Bedeutung. Besonders organische Solarzellen zeigen hier ein hohes Wachstumspotential, da sich mit ihnen aufgrund des geringen Substratgewichts großflächige Installationen von Solarmodulen beispielsweise in mobilen Anwendungen, wie der Transport- und Fahrzeugtechnik mit integrierter Stromversorgung oder temporären Gebäuden, wie Containern und Traglufthallen realisieren lassen. Darüber hinaus können mit organischen Solarzellen neuartige flexible Photovoltaikmodule, die eine langfristige Perspektive mit hohen Absatzchancen im Markt der Photovoltaik bieten, in Gebäude integriert werden.

„Ziel des Projektes „PhotonFlex“ ist die Entwicklung und Untersuchung innovativer Technologien für die kostengünstige und hochproduktive Herstellung von flexiblen organischen Solarzellen. Dabei erfolgt die Produktion flexibler Solarzellen mittels Beschichtung mit aktiven Absorbern aus der Flüssigphase, die vom Labor in eine industrienahe Produktionskette skaliert wird.“

Anlagenmodifikation für hochqualitative Beschichtung
Im Projekt werden die Ergebnisse der Voruntersuchungen der RUB in einer kontinuierlichen nasschemischen Beschichtung und Trocknung auf eine R2R-Anlage hochskaliert. Dazu wird die Pilotanlage Smartcoater am ILT durch Coatema modifiziert (Abbildung 1), indem die Anlage durch ein Folienvorbehandlungssystem zur Verbesserung der Beschichtung sowie ein Verkapselungsmodul erweitert wird.  Für die Integration einer Laserbearbeitungseinheit in den R2R-Betrieb werden hohe Anforderungen an Antriebstechnik, Prozesstechnik und Genauigkeit an die einzelnen Maschinenkomponenten gestellt. Des Weiteren muss die Materialbahn im Bereich der Laserbearbeitung in allen Raumrichtungen präzise positionierbar sein, um den Bewegungen der Bahn folgen zu können.

Folgende Komponenten befinden sich im Coater:

  • Strahlteiler mit einer eigens entwickelten Optik (LIMO GmbH)
  • Galvanometer-Scanner zur Randentschichtung und flexiblen Strukturierung (ILT)
  • Prozesskontrolle, bestehend aus Bahnkantenerkennung und kamerabasierter Detektion entwickelt von der Firma Ortmann Digitaltechnik GmbH
  • Inkremental-Drehgeber zur Inline-Messung der Bahngeschwindigkeit (Coatema)
  • Zwei Strahlquellen im Kurz- und Ultrakurzpulsbereich (ILT)

Mittels angepasster Ablationsstrategien und einer zeitlichen und örtlichen Energiemodulation lassen sich unerwünschte thermische Effekte vermeiden und hohe Prozessgeschwindigkeiten für die integrierte Serienverschaltung und die Randentschichtung erreichen.

Laserscribing für die Serienverschaltung
Jedes Modul von Solarzellen ist aus einer Vielzahl kleinerer Zellen aufgebaut. Dies gilt auch für organische Dünnschicht-Photovoltaik, deren Schichtdicken von wenigen zehn bis einigen hundert Nanometern variieren.  Aufgrund dieser geringen Schichtdicken und der kontinuierlichen Beschichtungsmethoden, die in diesem Fall verwendet werden, müssen neue Methoden für die Strukturierung der einzelnen Schichten entwickelt werden. In Abbildung 2 ist dargestellt, wie durch den Abtrag individueller und mehrerer Schichten eine präzise Verschaltung der jeweiligen von der RUB qualifizierten Schichten sichergestellt werden kann. Um diese Methode erfolgreich einsetzen zu können, müssen die im folgenden P1, P2 und P3 genannten Scribes genau im Hinblick auf Wellenlänge, Leistung und Pulsdauer für jede Einzelschicht am ILT angepasst werden.

Laserdurchstrahl- und Spaltschweißen
Die Integration der laserbasierten Fügeverfahren des Laserdurchstrahl- und Spaltschweißens in eine weitere Einheit des Smartcoaters soll im Rahmen des Projekts zu einem effizienten Packaging im R2R-Betrieb weiterentwickelt werden. Hierbei wird zur Verkapselung der Solarzellen mit Hochleistungs-Diodenlasern mit angepassten Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich gearbeitet.

Das formatflexible Laserschweißen von Folien ist weiterhin auf viele Bereiche übertragbar, in denen heutzutage Klebstoffe verwendet werden. Insbesondere unter dem Aspekt der Langzeitstabilität sind Klebeverbindungen kritisch, da durch UV-Einstrahlung polymerisierte und vernetzte Kunststoffe ihre Festigkeit verlieren können. Eine auf Laserschweißen basierende Fügetechnik durch Verschmelzen der Kunststoffe für das gas- und feuchtedichte Packaging substituiert somit die aufwändige Applikationstechnik und entsprechende Aushärtevorgänge.

Eine vollständige photonische Prozesskette
Die komplette Prozesskette ergibt sich somit zu:

  • Vorbehandlung des Substrats mittels Excimerlampe
  • Nasschemische Beschichtung der Materialien mittels Breitschlitzdüse
  • Trocknung der Nassschichten mittels IR- und konvektiver Trocknung
  • Untersuchung alternativer Trocknungstechniken z.B. Lasertrocknung
  • Randentschichtung und Ausrichtung mittels Laserscribing kombiniert mit einem speziellen optischen Detektionssystem
  • Paralleles Laserscribing mit 11 Teilstrahlen (Abbildung 3)
  • Laserschweißen im Spalt- und Durchstrahlschweißverfahren zur Verkapslung der Zellen

Mit diesen Technologien werden den in Nordrhein-Westfalen ansässigen Herstellern leistungsfähige Verfahrens- und Systemkomponenten bereitgestellt, um ihnen im Markt der flexiblen Solarzellen sowie der druckbaren Elektronik eine Vorreiterrolle zu ermöglichen.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Abbildung 1: Pilotanlage Smartcoater am ILT

Abbildung 2: Abtrag individueller und mehrerer Schichten zur präzisen Verschaltung der jeweiligen qualifizierten Schichten.

Abbildung 3: Paralleles Laserscribing mit 11 Teilstrahlen

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Coatema Coating Machinery GmbH

Coatema Coating Machinery GmbH konstruiert und fertigt Anlagen für die Bereiche Beschichten, Drucken und Laminieren. Sowohl für Rolle zu Rolle Anwendungen bahnförmige Substrate als auch für Stückgutbeschichtung. Das Unternehmen ist seit 40 Jahren...more...