Die Forscher nutzten dafür eine Kombination aus Sputter- und Slot-Die-(Schlitzdüsen-)Beschichtung. „Die Hochskalierung auf große Flächen ist eine der großen Herausforderungen bei der organischen Photovoltaik“, erläutert Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am ISE. Laborergebnisse mit kleinen, manuell gefertigten Solarzellen können oft nicht in die industrielle Fertigung übertragen werden, weil ihr Herstellungsverfahren auf größeren Flächen nicht funktioniert. „Dass wir nun zum ersten Mal praktisch verlustfrei sämtliche Schichten der Solarzellen per industriell umsetzbaren Slot-Die-Verfahren auftragen konnten, ist für uns ein großer Durchbruch.“ Die Rückelektroden der Solarzellen werden im Prozessschritt davor im Sputterverfahren aufgebracht.
Solarmodule können Fenstergläser ersetzen
Bei der Entwicklung semi-transparenter organischer Photovoltaik gibt es immer eine Abwägung zwischen Lichtdurchlässigkeit und dem damit verbundenen Effizienzverlust, ausgedrückt in der Lichtnutzungseffizienz (light utilization efficiency, LUE). Bei den 210,25 cm² großen, semi-transparenten organischen Photovoltaikmodulen konnte das Forschungsteam bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 43,2 % einen Wirkungsgrad bis 9,26 % erzielen. Das entspricht einer LUE bis 4,0 %.
Organische Solarmodule mit einer Lichtdurchlässigkeit deutlich über 50 % könnten anstelle von Fenstergläsern in Gebäudefassaden oder in Gewächshäusern zum Einsatz kommen. Wenn getönte Gläser erwünscht sind – zum Beispiel in Autodächern und Fassadenelementen– kann eine geringere Transparenz sogar von Vorteil sein.
In den Modulen wurden je mehr als 100 Solarzellen mittels Laserstrukturierung miteinander verschaltet. Die Solarzellen bestehen aus einer im nahen Infrarot reflektierenden Rückelektrode, die per Sputtern auf ein Glassubstrat aufgebracht wurde, der Absorberschicht aus organischen Halbleitern sowie einer metallfreien Topelektrode aus dem Polymer Pedot:PSS, die in mehreren Schichten per Slot-Die aufgetragen wurden. Die Firma Heraeus Epurio entwickelte für diese Topelektrode eine neue Pedot:PSS-Formulierung, die dazu beitrug, dass die PV-Module eine höhere Transparenz erzielten.
Auch Herstellung auf Folie möglich
Die Slot-Die-Beschichtung ist kompatibel mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren und damit auch zur Herstellung von Solarmodulen auf Folie geeignet. „Im Projekt haben wir bereits erste flexible, organische PV-Module hergestellt, die nach 1.274 Biegezyklen über einen Stab mit 15 mm Durchmesser 100 % ihrer ursprünglichen Effizienz beibehielten“, erzählt Dr. Mathias List, Wissenschaftlicher Mitarbeiter für Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE.
Die Forschungsergebnisse sind Teil des Projekts „Durchblick-PV – Entwicklung von organischen Solarmodulen mit hoher visueller Transparenz“, unterstützt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK, heute BMWE). Projektpartner waren Heraeus Epurio, Rowo Coating, Asca und die Universität Freiburg.