OPV-Forschung am Fraunhofer IAP

Polymere für die organische Photovoltaik

Als Organische Photovoltaik werden Solarzellen auf Grundlage organischer Halbleitermaterialien bezeichnet, die unter Bestrahlung Strom erzeugen können. Konjugierte Polymere werden dabei als Absorbermaterialien in organischen photovoltaischen Zellen eingesetzt. Ein Konzept stellt die „bulk-heterojunction“-Solarzelle dar. Diese besteht darin, dass in einem Blend-System sowohl das Licht absorbierende konjugierte Polymer und ein Fulleren-Derivat (PCBM) für den sehr schnellen Ladungstransfer gemischt werden. Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) wird als Standard-Absorbermaterial in solchen Zellen eingesetzt. Dabei sind die HOMO- und LUMO-Energielagen des P3HT nicht optimal für den eingesetzten Akzeptor (PCBM) und das Bandgap an das Sonnenspektrum angepasst. Eine definierte Erniedrigung der Bandlücke als auch eine Erniedrigung des Energieabstandes zwischen dem Donor – LUMO und dem Akzeptor – LUMO sind erstrebenswert. Deshalb liegt der Schwerpunkt der Materialentwicklung für neue Absorbermaterialien darin, Polymere mit angepassten HOMO- und LUMO-Energielagen zu entwickeln. Solche Polymere können unter anderem durch den Einbau von alternierenden Elektronen-Donator- und Elektronen-Akzeptor-Einheiten in das Polymerrückgrat realisiert werden. Es können damit Bandlücken zwischen 1.8 und 1.3 eV erreicht werden.

Aufbau organischer Bauteile wie OTFT, OLEDs und OPV

Neben der Entwicklung geeigneter Materialen für den Bereich der polymeren Elektronik stellt auch die Anwendung dieser neuartigen Materialen in den verschiedenen elektronischen Bauelementen eine wichtige Aufgabe dar. Weiterführend werden demnach die neuentwickelten Materialen hinsichtlich ihres elektrischen und optischen Verhaltens in elektronischen Bauelementen untersucht. Es liegen umfangreiche Erfahrungen zu den wichtigsten elektronischen Bauelementen − wie etwa dem organischen Feldeffekttransistor (OFET), der organische Leuchtdiode (OLED) und der organischen Solarzelle (OPV) − vor. Hierbei besteht die Möglichkeit, neue Materialentwicklungen direkt vor Ort in die jeweilige Device-Technologie umzusetzen und zu charakterisieren. Für die Verarbeitung der organischen Materialen stehen verschiedene schichtbildende Verfahren wie Spin-coating, Dip-coating sowie diverse Drucktechnologien unter inerten und atmosphärischen Bedingungen im Labor- und Kleinserienmaßstab zur Verfügung. Hinsichtlich der unterschiedlichen Anwendungsfelder organischer Elektronik ist die Präparation auf flexiblen Foliensubstraten als auch auf Glas und Silizium möglich. Neben der Herstellung ist die Bauteilcharakterisierung für organische Feldeffekttransistoren ebenfalls unter inerten und atmosphärischen Bedingungen möglich, hierfür stehen mehrere Teststände sowohl innerhalb als auch außerhalb der Glovebox zur Verfügung. Zur Charakterisierung der organischen Halbleiter für die Photovoltaik besteht die Möglichkeit der Präparation von organischen Solarzellen sowie der Ermittlung der relevanten Kenndaten mittels eines kalibrierten Sonnensimulators. Für die Untersuchung der neuartigen OLED-Materialen steht ein Leuchtdichtemessplatz mit integrierter Ulbricht-Kugel unter inerten Bedingungen zur Verfügung.

Prozessentwicklung für die organische Photovoltaik

Der zunehmende Energiebedarf auf der Erde erfordert die Ausschöpfung unterschiedlicher Konzepte zur Energiegewinnung, insbesondere zur Ausnutzung der kostenlos zur Verfügung stehenden Sonnenenergie. Die jüngste Entwicklung im Bereich der Photovoltaik basiert auf der elektrischen Leitfähigkeit organischer Materialien, die in sehr dünnen und leichten Bauelementen zu Solarzellen aufgebaut werden können. Die Herausforderung zur Herstellung effizienter Systeme besteht in der Auswahl der geeigneten Materialien, dem Konzept zum Aufbau des Bauelementes und ihrer kostengünstigen Prozessierung. Die Arbeiten am Fraunhofer IAP konzentrieren sich auf die Verwendung lösungsprozessier-
barer Materialien, die mit geeigneten Drucktechniken verarbeitet werden. Die Forschungsschwerpunkte liegen dabei in der Entwicklung geeigneter Druckformulierungen und der Evaluierung von Drucktechniken, die für einen Einsatz in Rolle-zu-Rolle Prozessen geeignet sind und dabei ein individuelles Design bei hoher Leistungsfähigkeit der hergestellten Module durch zuverlässige Prozessführung ermöglichen.

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