EffiLayers bringt organische Photovoltaik ins Rollen

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. Das Projekt wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert.
Organische Photovoltaikzellen (OPV-Zellen) haben im Vergleich zu Solarzellen auf Siliziumbasis einen geringeren Wirkungsgrad, sind jedoch biegsam und transparent. Dadurch lassen sie sich funktionell und dekorativ z. B. in Fassaden integrieren.
Die Schichten der OPV-Zellen sind nur wenige Nanometer dick. Durch das großflächige Beschichten flexibler Träger mittels Dünnschichttechnik werden nur geringe Materialmengen benötigt. Mit dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren kann eine Produktion im industriellen Maßstab realisiert werden. Im Vergleich zur Silizium-Photovoltaikproduktion fallen hier auch geringere Herstellkosten an, da energieintensive und kostenaufwändige Prozessschritte entfallen.
Im September 2019 startete das Forschungsprojekt EffiLayers mit dem Ziel, den Produktionsprozess unter Verwendung innovativer Analyse- und Prozesstechnologien umzusetzen. In dem Projekt werden teure, energieintensive Sputter-Verfahren durch nasschemische Beschichtungsverfahren ersetzt.
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 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.
Ein Ultrakurzpulslaser im Femtosekundenregime separiert die Schichten, sodass einzelne Zellen per Serienschaltung miteinander verbunden sind. Elf Teilstrahlen werden auf die Oberfläche geführt, während sich das Band bewegt. Ludwig Pongratz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ILT, erklärt: „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 nanometerdicken Schichten abzutragen ohne die darunter liegenden Schichten zu beschädigen oder Kurzschlüsse zu verursachen.“
Das ILT kooperiert mit dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik (LAT) an der Ruhr-Universität Bochum. Beide Forschungseinrichtungen arbeiten eng zusammen mit dem Anlagenhersteller Coatema Coating Machinery aus Dormagen, den Kommunikationsexperten von Ortmann Digitaltechnik aus Attendorn und LIMO aus Dortmund. LIMO liefert u. a. die optischen Komponenten für die elf Teilstrahlen.

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