EffiLayers bringt organische Photovoltaik ins Rollen
© Fraunhofer ILT, Aachen. In EffiLayers wird die im Vorgänger-Projekt PhotonFlex entwickelte laserbasierte Rolle-zu-Rolle-Produktion von organischer Photovoltaik weiterentwickelt und so die Wettbewerbsfähigkeit von Maschinenbauern aus NRW erhöht.
Sonnige Zeiten: Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT aus Aachen entwickeln fünf Projektpartner aus Industrie und Forschung im Vorhaben EffiLayers Technologien für die Rolle-zu-Rolle-Produktion organischer Photovoltaik. Ziel des 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 (OPV-Zellen), die im Vergleich zu traditionellen Solarzellen auf Siliziumbasis einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen, dafür jedoch biegsam und transparent sind. Dadurch lassen sich OPV-Zellen funktionell und dekorativ z. B. in Fassaden von Gebäuden integrieren. Die Entwicklung eines effizienten Produktionsprozesses soll die industrielle Massenproduktion von OPV-Zellen anschieben.
Hauchdünne Innovationen für die flexible Energieerzeugung
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.
Wenige Gramm Rohmaterial und viel Lasertechnik in einem Prozess
»Wir möchten den Prozess industrienah umsetzen«, erklärt Ludwig
Pongratz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am 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 nm 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.
Pongratz: »Für das Herstellen von OPV-Zellen mit einer Fläche von
zehn Quadratmetern benötigen wir nur drei Gramm organisches
Aktivmaterial. Weil wir bereits in den beiden ersten Projekten viele
innovative Prozessschritte erfolgreich in unserer Anlage implementieren
konnten, wurde der Förderung eines dritten Projekts aus Mitteln des
Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) zugestimmt.«
Laser Scribing – ein diffiziler Prozess im Ultrakurzpuls-Bereich
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.«
Ganzheitliches Zusammenspiel von Industrie und Forschung
Um den gesamten Prozess abzubilden, kooperiert das Fraunhofer ILT mit
dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik (LAT) an der Ruhr-Universität
Bochum. Beide Forschungseinrichtungen arbeiten eng zusammen mit dem
Anlagenhersteller Coatema Coating Machinery GmbH aus Dormagen, den
Kommunikationsexperten der Ortmann Digitaltechnik GmbH aus Attendorn und
der LIMO GmbH aus Dortmund, von der u. a. die optischen Komponenten für
die elf Teilstrahlen stammen. 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. Pongratz: »Für uns ist es
wichtig, den Prozess ganzheitlich abzubilden und dabei gemeinsam mit
unseren Partnern die notwendige Prozessüberwachung und -regelung zu
entwickeln.«