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Biegsam: Eine flexible organische Solarzelle wird mehrmals auf einen Radius von 25 Millimeter gebogen, während ihre Leistung überwacht wird. Bild: National Physical Laboratory
Photovoltaik

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Gedruckte Solarzellen und Leuchtdioden

Biegsame Module, die wie eine Zeitung im Roll-to-Roll-Verfahren gedruckt werden, könnten bald kostengünstige Solarzellen und LED-Beleuchtungskörper möglich machen.

Forscher des EU-Projekts „Treasores“ (Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) haben unter der Leitung von Empa-Wissenschaftler Frank Nüesch den Prototypen eines biegsamen Solarzellenmoduls und eine transparente Silber-Verbundelektrode vorgestellt, der leistungsfähiger und kostengünstiger als alle bisherigen Lösungen sein soll.

Biegsame organische Solarzellen besitzen großes Potenzial um Kosten zu sparen, erfordern sie doch eine vergleichsweise geringe Menge an (günstigen) Ausgangsmaterialien, um im Roll-to-Roll-Verfahren (R2R) in großen Mengen hergestellt zu werden. Allerdings müssen dazu die gesamten Bauteile wie die transparenten Elektroden und die Sperrschichten flexibel sein.

Verbesserte Leistung

Kürzlich zog das Treasores-Projektteam Halbzeitbilanz; wichtige Teilziele sind bereits erreicht. Das internationale Team, das Forscher aus 19 Labors und Unternehmen in fünf europäischen Ländern vereint, hat etwa ultradünne, transparente Silber-Verbundelektroden entwickelt, die nicht nur günstiger sind als die derzeit verwendeten Indium-Zinnoxid-Elektroden (ITO), sondern die auch eine höhere Leistung erzielen.

Damit konnten die Wissenschaftler in einer Perovskit-basierten Solarzelle eine Rekordeffizienz von sieben Prozent nachweisen. Zudem erreichten die ersten gänzlich im R2R-Verfahren produzierten Solarzellen bei Feldversuchen eine Lebensdauer, die kommerziellen Ansprüchen genügt. Der nächste Schritt sei nun, die Hochskalierung und Verbesserung jener Technologien, die bislang das größte Potenzial aufweisen, um so Sperrmaterialien und transparente Elektroden in großen Mengen, sprich auf Rollen von mehreren Hundert Metern Länge, herzustellen.

In der zweiten Hälfte des Projekts sollen zudem andere vielversprechende Technologien weiterentwickelt werden. Dazu gehören transparente, biegsame Elektroden aus Textilien, Nanodrähten und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT). Die Forscher arbeiten an den zentralen Fragestellungen für den großflächigen Einsatz von organischen optoelektronischen Bauelementen. Die neuen kostengünstigen Elektrodensubstrate seien den bisherigen leitfähigen Oxidelektroden bereits in vielerlei Hinsicht überlegen.

Man müsse aber die Leistung der damit im Großmaßstab hergestellten Bauteile noch weiter verbessern, indem man die Fehlerdichte in den Substraten reduziert. Dazu wurden die neuen Materialien ausgiebig mit speziell entwickelten Instrumenten auf ihre mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften untersucht. Zudem bestimmten die Forscher die Leistungscharakteristika der damit produzierten Bauteile wie Lebensdauer und Beleuchtungsqualität im Praxiseinsatz. So wiesen etwa flexible Elektroden aus Silber-Nanodrähten einen Flächenwiderstand von unter 20 Ohm/Square (ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit dünner Schichten) und eine optische Durchlässigkeit von 80 Prozent auf.

Noch besser schnitten Kupfer-Nanodrähte ab: Bei einer Transparenz von 90 Prozent auf Glas lag ihr Flächenwiderstand sogar unter 10 Ohm/Square – eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bislang üblichen ITO-Elektroden, die bei einer derart hohen Transparenz Flächenwiderstände von rund 100 Ohm/Square aufweisen.

Die mit diesen Kupferelektroden hergestellten Solarzellen verfügen zurzeit über einen Wirkungsgrad von etwas über drei Prozent. Ähnliche Verbesserungen erzielten die Forscher auch bei CNT-Elektroden; deren Flächenwiderstand liegt derzeit bei 74 Ohm/Square bei einer Transparenz von 90 Prozent. Mit CNT-Elektroden erreichten organische Solarzellen einen Wirkungsgrad zwischen vier und fünf Prozent.

Raue Elektrodenoberfläche „bügeln“

All diese Elektrodentypen haben jedoch einen Nachteil: Sie sind bis zu einem gewissen Grad wellig und rau, weshalb eine ebnende Schicht notwendig ist, die eine fehlerfreie Aufbringung der optoelektronischen Elemente in mehreren Lagen ermöglicht. Die Forscher arbeiten deshalb an einem weiteren Elektrodentyp, bei der eine dünne Silberschicht (Ag) zwischen zwei Metalloxidschichten (MO) liegt. Diese Folien erweisen sich als deutlich ebener. Mehrschichtige MO/Ag/MO-Elektroden ermöglichen den Bau deutlich effizienterer optoelektronischer Bauteile, was zumindest teilweise auf die geringe Rauheit von etwa 20 Nanometer (Unterschied zwischen Maximal- zu Minimalwert) zurückzuführen ist.

Mit diesen ultraflachen Elektroden lassen sich Rekordwirkungsgrade von bis zu sieben Prozent erzielen, wie Tests mit organischen Solarzellen aus handelsüblichen Materialien gezeigt haben. Mit denselben Elektrodenmaterialien erreichte das Team bei der Herstellung weißer organischer Leuchtdioden (OLED) einen Wert von 17 lm/W und bei organischen elektrochemischen Leuchtzellen (OLEC) von über 20 lm/W. Obwohl das für flexible OLED- und OLEC-Bauteile noch keine Rekordwerte sind, wurden alle Elektroden durch ein R2R-Verfahren in industrieller Umgebung oder mit industrierelevanten Prozessen hergestellt. Die Verfahren sind also robust und reproduzierbar.

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