Eine flexible organische Solarzelle aus dem TREASORES-Projekt wird mehrmals auf einen Radius von 25 Millimeter gebogen, während ihre Leistung überwacht wird. Die nachgewiesene Lebensdauer für diese Zellen beträgt rund 4000 Stunden. (Bild: «National Physical Laboratory», NPL)

Um Solarenergie auf breiter Front erschwinglich zu machen, suchen Wissenschaftler und Ingenieure überall auf der Welt nach kostengünstigen Produktionstechniken. Biegsame organische Solarzellen besitzen dabei ein riesiges Potenzial, erfordern sie doch eine vergleichsweise geringe Menge an (billigen) Ausgangs-materialien, um im Roll-to-Roll-Verfahren (R2R) in grossen Mengen hergestellt zu werden. Allerdings müssen dazu die transparenten Elektroden, die Sperrschichten, ja die gesamten Bauteile flexibel sein. Im Rahmen des von der EU mit einem Gesamtbudget von über 14 Millionen Euro finanzierten Projekts «TREASORES« (Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) entwickelt und erprobt ein internationales Team unter der Leitung von Empa-Wissenschaftler Frank Nüesch seit November 2012 neue Technologien, um eine R2R-Herstellung von organischen optoelektronischen Bauteilen wie Solarzellen und LED-Beleuchtungskörpern Wirklichkeit werden zu lassen.

Transparente Elektroden mit deutlich verbesserter Leistung
Kürzlich zog das 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, so Nüesch, 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 ausserdem andere vielversprechende Technologien weiterentwickelt werden. Dazu gehören transparente, biegsame Elektroden aus Textilien, Nanodrähten und Kohlenstoff-nanoröhrchen (CNT). «Wir arbeiten an den zentralen Fragestellungen für den grossflächigen Einsatz von organischen optoelektronischen Bauelementen. Unsere neuen kostengünstigen Elektrodensubstrate sind den bisherigen leitfähigen Oxidelektroden bereits in vielerlei Hinsicht überlegen», betont Nüesch. «Aber wir müssen die Leistung der damit im Grossmassstab hergestellten Bauteile noch weiter verbessern, indem wir die Fehlerdichte in den Substraten reduzieren.»

Dazu wurden die neuen Materialien ausgiebig mit speziell entwickelten Instrumenten auf ihre mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften untersucht. Zudem bestimmten Nüesch und seine Kollegen 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 Durch-lässigkeit 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.

Die 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 daher bereits an einem weiteren Elektroden-typ, 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 (OLEDs) einen Wert von 17 lm/W und bei organischen elektrochemischen Leuchtzellen (OLECs) von über 20 lm/W. Obwohl das für flexible OLED- und OLEC-Bauteile noch keine Rekordwerte sind, weist Nüesch darauf hin, dass «alle Elektroden durch ein R2R-Verfahren in industrieller Umgebung bzw. mit industrierelevanten Prozessen hergestellt wurden. Die Verfahren sind also robust und reproduzierbar.»