Fraunhofer-ISE-Forscher entwickeln mit Partnern halbtransparente organische Photovoltaik-Module mit neun Prozent Wirkungsgrad

Eine deutsch-österreichische Forschergruppe unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hat erfolgreich schlitzdüsenbeschichtete, halbtransparente organische Photovoltaik-Module (STOPV) mit einer Aperturfläche von 210,25 Quadratzentimetern hergestellt.

Die STOPV-Module verfügen über eine im nahen Infrarot reflektierende Rückelektrode und eine metallfreie Top-Elektrode. Bislang wurden mit solchen Bauelementen im Laborzellenmaßstab Lichtnutzungsgrade (LUEs) von bis zu 6 Prozent erreicht. Bei der Skalierung auf größere Module ging die Leistung in der Regel jedoch erheblich zurück.

„Die Neuheit unserer Entwicklung liegt im innovativen Zellstapel und darüber hinaus in der erfolgreichen Skalierung auf Module mit Flächen von mehr als 200 Quadratzentimetern“, erklärt der korrespondierende Autor Uli Würfel vom Fraunhofer ISE gegenüber pv magazine. „Positiv überrascht hat uns, dass wir von kleinflächigen, im Spin-Coating-Verfahren hergestellten Zellen zu Modulen mit Slot-Die-Beschichtung auf diesen größeren Flächen von mehr als 200 Quadratzentimetern übergehen konnten – und zwar fast ohne Leistungsverlust.“

Forscher fertigten 116 monolithisch miteinander verbundene Zellstreifen

Zur Herstellung der großen STOPV-Module verwendeten die Forscher Glassubstrate mit den Maßen 16 × 27,5 Quadratzentimeter. Sie fertigten 116 monolithisch miteinander verbundene Zellstreifen mit einer Breite von jeweils 1,25 Millimetern.

Die Zelle wurde mit folgendem Schichtaufbau hergestellt: Glas | Titandioxid (TiO₂) | Siliziumdioxid (SiO₂) | Titandioxid (TiO₂) | mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) | Silber (Ag) | mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) | Zinkoxid (ZnO) | PV-X Plus | Poly(3,4-ethylendioxythiophen)(styrolsulfonat) (PEDOT) (HTL-X) | Poly(3,4-ethylendioxythiophen)(styrolsulfonat) (PEDOT) (SCA2003).

Als Substrat diente Glas, die TiO₂- und SiO₂-Schichten bildeten den optischen Dielektrikumsstapel. Die Schichten AZO | Ag | AZO bildeten eine transparente, im nahen Infrarot (NIR) reflektierende Elektrode, während ZnO als Elektronentransportschicht fungierte. PV-X Plus war der organische Absorber. PEDOT:PSS diente als Lochtransportschicht (HTL) und PEDOT:PSS (SCA2003) als metallfreie obere Elektrode.

Die Rückseitenelektrode wurde durch Sputtern aufgebracht, die ZnO-Elektronentransportschicht, der PV-X-Plus-Absorber und zwei PEDOT:PSS-Schichten mittels Schlitzdüsenbeschichtung. Zur Strukturierung der Schichten und zur Bildung der monolithischen Reihenverbindung wurden drei Laserritzschritte durchgeführt. Anschließend wurden die Module zehn Minuten lang bei 110 Grad gehärtet. Die fertigen Module wurden Strom-Spannungs-Tests (I–V-Tests) bei verschiedenen Beleuchtungsintensitäten, Messungen der optischen Transmission und Reflexion sowie einer Defektanalyse mittels beleuchteter Lock-in-Thermografie (ILIT) und Elektrolumineszenz-Bildgebung (EL) unterzogen.

Höchster LUE-Wert bei einer Dicke der photoaktiven Schicht von 60 Nanometern

Darüber hinaus haben die Forscher separate Langzeitstabilitätstests an kleineren, starren Modulen mit einer Fläche von 11,4 Quadratzentimetern durchgeführt, die auf Glassubstraten mit DBR-Rückelektroden (Distributed Bragg Reflector) hergestellt und unter kontinuierlicher Beleuchtung mehr als 1.000 Stunden lang gealtert wurden. Separate flexible 11,4-Quadratzentimeter-Module, die auf Polyethylenterephthalat (PET)-Substraten mit DBRflex-Elektroden hergestellt wurden, haben sie Biegeversuchen mit bis zu 1.275 Zyklen um einen Stab mit 15 Millimetern Durchmesser unterzogen.

Die Tests zeigten, dass der höchste LUE-Wert von 4,0 Prozent bei einer Dicke der photoaktiven Schicht von 60 Nanometern erreicht wurde. Dabei erzielten die Forscher einen Wirkungsgrad von 9,3 Prozent und eine durchschnittliche Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich (AVT) von 43,2 Prozent. Die flexiblen, kleineren Zellen erreichten durchschnittliche LUE-Werte von 4,1 Prozent, einen Wirkungsgrad von 7,9 Prozent und eine AVT von 52,1 Prozent.

„Die nächsten Schritte bestehen darin, die Lichtdurchlässigkeit weiter zu verbessern und diese Ergebnisse auf die Rolle-zu-Rolle-Fertigungstechnologie zu übertragen“, sagt Würfel. „Dort bleiben die in dieser Arbeit verwendeten Abscheidungsverfahren unverändert, das heißt Sputtern für die im nahen Infrarot reflektierende Elektrode und Schlitzdüsenbeschichtung für alle anderen Schichten. Aber das Substrat ist flexibel und der Beschichtungsprozess erfolgt kontinuierlich.“

Das Forscherteam hat sein Modul in dem Artikel „Toward scalable semitransparent organic photovoltaics: Slot-die-coated 210-cm² modules with visible transmission of up to 50% and LUE up to 4%“ vorgestellt, der in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht wurde. An der Studie waren Forscher des Fraunhofer ISE, der Universität Freiburg und der Universität Innsbruck beteiligt.