Extrusion 2-2020

Unter der Leitung des Fraunhofer- Instituts für Lasertechnik ILT aus Aachen entwickeln fünf Projekt- partner aus Industrie und Forschung im Vorhaben EffiLayers Technologien für die Rolle-zu- Rolle-Produktion organischer Photovoltaik. Ziel des NRW-Leit- marktprojekts ist es, den in Nord- rhein-Westfalen ansässigen Maschinenherstellern eine Vor- reiterrolle im Markt der flexiblen Dünnschicht-Solarzellen und gedruckten Elektronik zu ermöglichen. E s 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 funktio- nell und dekorativ zum Beispiel in Fassaden von Gebäuden in- tegrieren. Die Entwicklung eines effizienten Produktionsprozes- ses soll die industrielle Massenproduktion von OPV-Zellen an- schieben. Hauchdünne Innovationen für die flexible Energieerzeugung Die einzelnen Schichten der OPV-Zellen sind nur wenige Nano- meter dick. Durch das großflächige Beschichten flexibler Träger mittels Dünnschichttechnik werden nur geringe Materialmen- gen benötigt, wodurch eine ressourcenschonende Fertigung möglich ist. Durch die Umsetzung des Rolle-zu-Rolle- Verfahrens kann zudem eine Produktion im industriellen Maß- stab realisiert werden. Im Vergleich zur klassischen Silizium- Photovoltaikproduktion fallen hier auch geringere Herstellkos- ten an, da energieintensive und kostenaufwändige Prozess- schritte entfallen. In den Vorgängerprojekten FlexLas und PhotonFlex standen be- reits einzelne Schritte des komplexen Rolle-zu-Rolle- Produktionsprozesses von OPV-Zellen im Mittelpunkt. Im Sep- tember 2019 startete das Forschungsprojekt EffiLayers mit dem Ziel, den Produktionsprozess unter Verwendung innovativer Analyse- und Prozesstechnologien ganzheitlich umzusetzen. Durch hochauflösende Sensorik werden einzelne Prozessschrit- te überwacht und in eine Prozessregelung implementiert. 28 Mikro- und Nanostrukturierung – Aus der Forschung Extrusion 2/2020 EffiLayers bringt organische Photovoltaik ins Rollen Im Forschungsprojekt EffiLayers kommt eine hochauflösende Zeilenkamera zum Einsatz, die eine Regelung des Laser Scribings mit elf Laserstrahlen im Prozess ermöglicht (© Fraunhofer ILT, Aachen) 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 Sput- ter-Verfahren durch nasschemische Beschichtungsverfahren zu ersetzen.” Die funktionellen Schichten werden über nasschemische Lösun- gen mittels beheizbarer Schlitzdüsen-Beschichtung übereinan- der aufgetragen. Die 10 bis 250 nm dicken Schichten werden mit verschiedenen Laserquellen aus dem Kurzpuls- und Ultra- kurzpulsbereich bearbeitet. Im fortlaufenden Prozess werden Lasertrocknung und -dünnschichtabtrag zur Separation einzel- ner Zellen sowie zur Entfernung der Schichten im Randbereich eingesetzt. Anschließend werden die OPV-Zellen durch Laser- verkapselung 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 orga- nisches Aktivmaterial. Weil wir bereits in den beiden ersten Pro- jekten viele innovative Prozessschritte erfolgreich in unserer An- lage implementieren konnten, wurde der Förderung eines drit- ten Projekts aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) zugestimmt.”