Fachartikel
Laser in der organischen Photovoltaik
Abstract
Fällt das Wort „Solarzelle“ denkt man meist an starre Siliziumwafer, welche zu Hunderten und Tausenden auf Dächern, an Fassaden oder in Energieparks zu finden sind. Für mobile Anwendungen hingegen finden diese klassischen Photovoltaikelemente nur eingeschränkt Verwendung. Ein neuer Ansatz für echte Mobilität bieten hier die flexiblen, auf Kunststofffolie gedruckten, organischen Solarzellen.
Einleitung
Gedruckte, flexible Solarzellen aus organischen Materialien (OPV, engl. organic photovoltaics) eröffnen gänzlich neue Möglichkeiten für die Nutzung der Sonnenstrahlung (Abb. 1). Durch großflächige Massendruckverfahren in Rolle-zu-Rolle-Technologie und die Verwendung von PET-Folie als Substratmaterial können die Zellen kostengünstig hergestellt werden [1]. Aufgrund der Flexibilität des Materials werden verschiedenartige Einsatzgebiete erschlossen, welche mit starren PV-Elementen nicht oder nur stark eingeschränkt bedient werden können. Als typisches Beispiel ist hier die Kombination einer flexiblen OPV mit Kleidungsstücken zu nennen. Die OPV könnte bspw. auf das Rückenteil einer Jacke aufgebracht werden und zur Energieversorgung eines Leuchtstreifens aus einer organischen LED verwendet werden. Somit würde die Sichtbarkeit des Trägers signifikant erhöht und seine Sicherheit im Straßenverkehr verbessert werden. Aber auch zum Aufladen bzw. zum Betrieb eines MP3-Players, Handys oder anderer elektronischer Kleingeräte könnte die OPV auf der Jacke verwendet werden.
Der Prinzipaufbau einer OPV-Zelle ist in Abb. 2 dargestellt. Auf einem Trägersubstrat (z.B. Glas oder Folie) ist ein transparenter, elektrisch leitender Frontkontakt (TCO, engl. transparent conductive oxide), meist Indium-Zinn-Oxid (ITO, engl. indium tin oxide) aufgebracht. Darauf befindet sich eine Schicht aus PEDOT:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen: Polystyrensulfonat), die zum einen die Unebenheiten der ITO-Schicht glättet, zum anderen durch Anpassung der Energieniveaus die Lochleitung optimiert. In der aktiven Schicht findet die Absorption der Photonen statt. Diese Schicht besteht aus einem Polymergemisch, z.B. P3HT:PCBM (Poly(3-hexylthiophen:Phenyl-C61-butansäuremethylester). Auf dieser ist eine weitere Anpassungsschicht abgeschieden, z.B. LiF. Als Rückkontakt kommt Aluminium zum Einsatz.
Um die Zellen großflächig drucken zu können, müssen verschiedene technische Probleme gelöst werden. Dies beginnt bereits bei der richtigen Vorbehandlung der ITO-beschichteten Folie. Eine besondere Herausforderung stellt das Drucken der Funktionsschichten dar, da hier eine Nassfilmdicke von nur wenigen µm über die gesamte Substratfläche gleichmäßig aufgetragen werden muss. Ein weiterer Aspekt ist die Verkapselung der Zellen. Diese ist notwendig, um die Lebensdauer der OPVs auf ein praktisch nutzbares Niveau zu bringen. Insbesondere Wasser und Sauerstoff führen zu einer raschen Degradation der organischen Schicht. Für die Strukturierung der einzelnen Schichten wird der Einsatz von Laserstrahlung untersucht. Das Ziel der Entwicklung muss es sein, die Effizienz und Lebensdauer der Zellen zu steigern und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken. Die OE-A (Organic Elektronic Association) sieht hier Effizienzen von 5-10%, eine Lebensdauer >5 Jahre und Kosten von unter 3€/Wp bis 2017 als notwendig, um gegen andere PV-Technologien bestehen zu können [2].
Das Forschungsprojekt „EPIO“
Zur Erreichung der genannten Ziele wurde das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt „EPIO“ – „Evaluierung und Entwicklung von Konzeptionen für die Produktion und Integration von OPV in den Anwendungsbereichen Architektur, Life Science und Textilien“ ins Leben gerufen. Neben der Lösung der grundlegenden Fragen zur Herstellung von OPVs soll im Projekt eine vollständige Rolle-zu-Rolle-Demonstratoranlage entwickelt und aufgebaut werden. Die 3D-Micromac AG, Chemnitz, ist als Konsortialführer sowohl für die Koordination als auch für die Anlagen- und Lasertechnik verantwortlich. Greifbare Ergebnisse des Projekts werden in Form von Anwendungsdemonstratoren hergestellt und dienen der Präsentation der Anwendungsmöglichkeiten der OPV-Technologie. Zum einen werden durch die Hexonia® GmbH, Nettetal, OPV-Elemente in Textilien integriert, zum anderen entwickelt das Architekturbüro freiräumer, Potsdam, Buswartestellen, welche durch die Integration von OPVs neue und interessante Funktionen bieten. Die notwendige Akkumulatortechnik, welche im Einsatzfall der Textilien ebenfalls flexibel sein muss, wird durch die VARTA Microbattery GmbH, Ellwangen, erforscht. Die Zellarchitektur und die dafür notwendigen Verfahrensschritte werden durch das Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung, Golm und das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig realisiert. Als Partner für die Drucktechnik konnte das Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz gewonnen werden.
Lasermikrostrukturierung des Frontkontakts und der aktiven Schicht
Der wichtigste Unterschied zu vergleichbaren technischen Lösungsansätzen besteht im EPIO-Projekt in der Laserstrukturierung der organischen Solarzellen. Dieser Ansatz bietet diverse Vorteile gegenüber z.B. fotolithografischen Verfahren. So kann beispielsweise auf teure, unflexible Belichtungsmasken und den Einsatz von diversen umweltschädlichen Chemikalien verzichtet werden. Die notwendigen elektrischen Trennungen der einzelnen Schichten werden mittels selektiver Laserablation erreicht. Abb 3. zeigt die notwendigen Trennschnitte in der Herstellung einer OPV. Im P1-Schnitt wird der elektrisch leitende, transparente Frontkontakt, z.B. ITO, getrennt. Der P2-Schnitt geht durch die aktive Schicht, hier P3HT:PCBM und Lochleitungsschicht, hier PEDOT:PSS, bis auf die ITO-Schicht. Diese darf dabei nicht beschädigt werden, um Leitungsverluste zu minimieren. Der letzte Schnitt durchtrennt die Rückelektrode und ermöglicht die Verschaltung der einzelnen Zellen.
Es wurden unterschiedliche Laserquellen für die Trennschnitte evaluiert, angefangen von Nanosekundenlasern bis hin zu Ultrakurzpulslasern. Die Nanosekundenlaser konnten bei keiner der gestellten Aufgaben befriedigende Ergebnisse erzielen. Durch den sehr hohen Wärmeeintrag während der Bearbeitung wurde im P1-Schnitt das Substrat so stark geschädigt, dass eine weitere Verarbeitung nicht möglich ist (siehe Abb. 4).
Besonders kritisch ist hier die Aufwölbung der ITO-Schicht in der Größenordnung von mehreren µm an den Schnittkanten. Da die nachfolgenden Schichten nur einige 100 nm dick sind, können diese Spikes zu Kurzschlüssen führen und die Zelle unbrauchbar machen. Auch der P2-Schnitt konnte nicht zufriedenstellend durchgeführt werden. Hier kam es zu einer massiven Schädigung der aktiven Schicht (siehe Abb. 5).
Der Vorteil von Ultrakurzpulslasern - deren Anwendung seit Jahren eine Domäne der 3D-Micromac AG ist - gegenüber Nanosekundenlasern liegt im beträchtlich geringeren Wärmeeintrag in das Material. Fast die gesamte zugeführte Energie wird für die Verdampfung und Ablation der Schichten eingesetzt und nur ein vergleichsweise geringer Teil trägt zur Erwärmung des Materials bei. Die Laser verfügen jeweils über zwei bzw. drei Wellenlängen. Fast die gesamte zugeführte Energie wird für die Verdampfung und Ablation der Schichten eingesetzt und nur ein vergleichsweise geringer Teil trägt zur Erwärmung des Materials bei. Die Laser verfügen jeweils über zwei bzw. drei Wellenlängen. Der Abtrag der ITO-Schicht funktioniert mit der Wellenlänge 1064 nm sehr gut. Das Foliensubstrat wird kaum beschädigt und die Aufwölbung des ITO an den Schnittkanten liegt teils deutlich unter 50 nm (siehe Abb. 6). Die generierte Aufwölbung ist aber nicht nur von den eingestellten Prozessparametern abhängig, sondern auch vom Material selber. Versuche mit ITO-beschichteten Folien verschiedener Hersteller zeigten bei gleichen Parametern teils starke Unterschiede in der erzeugten Aufwölbung. Generell ist das Prozessfenster beim Einsatz von 1064 nm ausreichend groß, um einen stabilen Abtragsprozess zu erreichen. Dies ist besonders im Hinblick auf die Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung von entscheidender Bedeutung. Auch mit den Wellenlängen 532 nm und 355 nm konnten gute bis sehr gute Abtragsergebnisse erzielt werden, jedoch ergeben sich hier keine Vorteile gegenüber 1064 nm.
Beim Abtrag der aktiven Schicht mit dem Ultrakurzpulslaser bei 1064 nm zeigen sich Beschädigungen der Schicht in Form von Verbrennung. Durch die entstehende Aufwölbung gestaltet sich der anschließende Auftrag der Anpassungsschicht als schwierig. Da die aktive Schicht aus P3HT:PCBM eine hohe Absorption im spektralen Bereich zwischen 500…550nm aufweist erscheint der Einsatz der Wellenlänge 532 nm sinnvoll. In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass mit dieser Wellenlänge ein Abtrag der Schicht realisiert werden kann ohne diese zu beschädigen (siehe Abb. 7).
Als problematisch stellte sich der Abtrag der PEDOT:PSS-Schicht heraus. Ein selektiver Abtrag vom ITO konnte bei den bisherigen Untersuchungen vor allem mit Nanosekundenlasern nicht erreicht werden. Entweder wurde die Schicht nicht vollständig abgetragen oder die ITO-Schicht wurde signifikant beschädigt. Der Wechsel zu 355 nm zeigte keine deutliche Verbesserung, sowohl beim Abtrag des P3HT:PCBM, als auch hinsichtlich des selektiven Abtrags der PEDOT:PSS-Schicht. Hier besteht außerdem die Frage, ob die aktive Schicht durch die UV-Strahlung eine Degradation erleidet. Der Einsatz eines speziell getunten Ultrakurzpulslasers ermöglicht den schädigungsfreien Abtrag der aktiven Schicht. Außerdem konnte die Lochleitungsschicht erstmals ohne signifikante Beschädigung der ITO-Schicht abgetragen werden, wie Abb. 8 zeigt.
Zusammenfassung
Mit den vorgestellten Laserstrukturierungsmethoden rückt die großflächige und effiziente Herstellung organischer Solarzellen mit Massendruckverfahren in greifbare Nähe. Durch die gemeinsamen Anstrengungen von Unternehmen und Forschungseinrichtungen und die Förderung des BMBF ist die 3D-Micromac AG zukünftig in der Lage, vollständige Fertigungslinien zur Produktion von OPVs bzw. weiterer Elemente für flexible Elektronik von den Ausgangsmaterialien bis zur fertig verkapselten Zelle mit den Technologien Gravurdruck, Slot Die Coating, Ink-Jet-Druck, Trocknung, Laserstrukturierung und -schweißen anzubieten.
Danksagung
Die vorgestellten Arbeiten werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts „EPIO“ mit dem Kennzeichen 13N10315 gefördert. Wir bedanken uns bei allen Partnern im Projekt.
Literatur
[1] Brabec, C. J.; Durrant, J.R.: Solution-Processed Organic Solar Cells. MRS Bulletin, Volume 33, 2008, S. 670-675
[2] OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics, 3rd Edition, VDMA, 2009