Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zu «gedruckten» Solarzellen und Leuchtdioden

18.03.2015

Biegsame Module, die wie eine Zeitung im Roll-to-Roll-Verfahren gedruckt werden, könnten bald kostengünstige Solarzellen und LED-Beleuchtungskörper möglich machen. Forscher des EU-Projekts «TREASORES» haben nun den Prototypen eines biegsamen Solarzellenmoduls und eine transparente Silber-Verbundelektrode vorgestellt – leistungsfähiger und kostengünstiger als alles bisherige.

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) Ausgangsmaterialien, 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.


Eine flexible organische Solarzelle aus dem TREASORES-Projekt wird mehrmals auf einen Radius von 25 Millimeter gebogen, während ihre Leistung überwacht wird.

(Bild: «National Physical Laboratory», NPL)

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 Kohlenstoffnanoröhrchen (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 Durchlässigkeit 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 Elektrodentyp, 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.»

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/156654/---/l=1

Rainer Klose | EMPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Kleine Strukturen – große Wirkung
21.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen
20.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kleine Strukturen – große Wirkung

21.11.2017 | Materialwissenschaften

ESO-Beobachtungen zeigen, dass der erste interstellare Asteroid mit nichts vergleichbar ist, was wir bisher kennen

21.11.2017 | Physik Astronomie

DFKI-Roboter erkunden autonom Lavahöhlen auf Teneriffa

21.11.2017 | Energie und Elektrotechnik