Europäische Forschungsallianz zur vereinfachten Herstellung organischer Solarzellen

Ein durchstimmbares Infrarotlasersystem für die selektive Bearbeitung organischer Schichten in optoelektronischen Bauelementen ist das Ziel des im September 2010 gestarteten Verbundprojektes IMPROV. Dafür stellt die EU bis 2013 rund 2,4 Millionen Euro Fördermittel aus dem 7. Forschungsrahmenprogramm zur Verfügung. Koordiniert wird das europäische Konsortium mit sieben Partnern aus Wissenschaft und Industrie vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH).

Organische photovoltaische Solarzellen (OSC) bestehen aus dünnen Schichten verschiedener photoaktiver Polymerfilme. Um ein funktionsfähiges Bauteil herzustellen, müssen diese Schichten unter anderem selektiv strukturiert werden. Die dafür heutzutage verwendeten UV-Laser arbeiten unpräzise und führen häufig zu einem Verlust von bis zu 20 Prozent der aktiven Fläche. Mit dem neuen Laserverfahren – resonante infrarote Ablation, kurz RIA, – könnte dieser Produktionsschritt deutlich verbessert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionsbanden jedes einzelnen Polymerfilms, ermöglicht RIA das selektive Schneiden, Strukturieren oder Abtragen innerhalb des gesamten Schichtsystems. Dazu bedarf es eines Kurzpulslasers, der im infraroten Wellenlängenbereich auf das jeweilige Absorptionsmaximum der zu bearbeitenden Schichten exakt abstimmbar ist.

Hier setzt das EU-Projekt IMPROV „Integrated Mid-infrared high Power source for Resonant ablation of Organic based photovoltaic devices“ an, das einen hochintegrierten weit abstimmbaren Infrarot-Kurzpulslaser im Wellenlängenbereich von 3 bis 10 µm entwickelt. Erreichen will man dies durch Frequenzkonversion eines 2° µm-Systems in neuartigen nichtlinearen Kristallen (orientation-patterned gallium arsenide).

Das Marktpotential in Anwendungsbereichen der Kunststoff-Mikrobearbeitung ist enorm. Insbesondere bei der Herstellung organischer Solarzellen für die Photovoltaik (OPV), aber auch von organischen Leuchtdioden (OLED) und Dünnschichttransistoren (OTFT) wäre mit dem geplanten Lasersystem eine enorme Vereinfachung des Produktionsprozesses mit deutlich geringeren Flächenverlusten realisierbar.

Dr. Dieter Wandt, Leiter der Gruppe Ultrafast Photonics am LZH, ist Koordinator für IMPROV. Forschungspart seiner Gruppe im Projekt ist die Entwicklung eines vollständig faserbasierten modengekoppelten Ultrakurzpuls-Thulium Faserlasers mit einer abstimmbaren Ausgangsstrahlung in einem Wellenlängenbereich um 2µm. Zudem muss die Repetitionsrate von den sonst typischen 40 bis 60 MHz auf 1 MHz reduziert werden. Von den beteiligten Partnern aus Belgien, Dänemark und Frankreich wird die Ausgangsstrahlung anschließend in weiteren Thulium dotierten Fasern verstärkt und dann in optisch parametrischen Generatoren/Verstärkern auf der Basis von GaAs-Kristallen in den infraroten Spektralbereich konvertiert.

Dieter Wandt ist sich der schwierigen Aufgabe für das LZH durchaus bewusst: „2 µm Thulium basierte Ultrakurzpuls-Faserlaser sind bisher nur sehr wenig untersucht, optische Komponenten kommerziell kaum zu bekommen. Außerdem sind aufgrund des Wellenlängenbereichs keine Sichtgeräte verfügbar.“ Dennoch ist der Physiker zuversichtlich, da man am LZH bereits einige Vorerfahrung mit dieser Art Oszillator hat und einige der faserbasierten Schlüsselkomponenten wie Pumplichtkoppler, Auskoppler und Filter selbst fertigen kann.

Verbundpartner für IMPROV sind neben den deutschen Firmen BATOP und Heliatek, das Interuniversitair MicroeIectronica Centrum VZW (IMEC) sowie Multitel ASBL, NKT Photonics und Thales. Gemeinsam bilden sie die gesamte Prozesskette von der Entwicklung bis hin zur industriellen Verwertung ab. So ist die Erprobung des Lasersystems bei der Herstellung organischer Solarzellen mit Integration der Heliatek GmbH aus Dresden gesichert. Interesse an dem kompakten IR-Hochleistungslaser wurde auch aus der industriellen Kunststoffbearbeitung signalisiert, wo bisher überwiegend der Excimerlaser zum Einsatz kommt.

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Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.