FVS-Jahrestagung 2007 Strategien zur kostengünstigen Massenfertigung organischer Photovoltaik

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1 Strategien zur kostengünstigen Massenfertigung organischer Photovoltaik I. Riedel, V. Dyakonov, E. Ahlswede, M. Niggemann, K. Fostiropoulos, M. Pfeiffer, T. Kolbusch, C. J. Brabec

2 Motivation Dünnstschichttechnologie (<500nm) Variable Formfaktoren Kostengünstige Herstellung Kaum zusätzliche BOS-Kosten Low-budget Anwendungen ( off-grid )

3 Entwicklung der Organischen Photovoltaik 1986: Erste organische Solarzelle (<1%) Patente PV-Technologien 3% 3% 3% 29% a-si System CIS II-VI III-V Organisch kristalline C. Tang, Kodak-Eastman, Rochester, USA 17% Gesamt: % 18% 2007: Erste organische Tandemzelle (6.5 %)

4 Basiskonzept organischer Solarzellen Univ. Würzburg, EP VI Lichtinduzierter Ladungstransfer (<10-13 s)

5 Molekulare Halbleiter C. Loosli, J. Org. Chem., 2005, 70(13), 4988 Phthalocyanine Vakuumsublimation: geordnete, strukturierte Schichten Perylene C 60 hohe Reinheit komplexe Schichtstrukturen

6 ZAE Bayern Flüssig Prozessierbare Halbleiter Poly-Thiophene Applikation aus der Lösung: amorphe und teilgeordnete Schichten einfache Beschichtungsverfahren (R2R) einfache Herstellung von Mischphasen Y. Kim et al., Nat. Mat. 5, 198 (2006).

7 Vergleich der Ansätze S. Forrest, MRS Bulletin 30 (2005) Vergleichbares Potential der einzelnen Ansätze (small molecules vs. polymer) Einzelzellen: % (Konarka, UCSB) Tandemzellen: > 4.2 % (Princeton) Vergleichbarer Trend in F&E Markteinführung abhängig vom Gleichgewicht zwischen Kosten - Stabilität - Effizienz

8 Anforderungen

9 Effizienzabschätzung: Einzelzelle Anwendungsbereiche: Mindestanforderung: Mobiles, Chipkarten, funktionelle Verpackungen 10% (Zelle), >5% (Modul)

10 Tandemzellen Multispektralansatz Erhöhung der Zellspannung auf gleicher Fläche Herstellung R2R-kompatibel Bisher erreicht: η=6.5 %* (Polymer-Fulleren)

11 Optimierung current density [ma/cm 2 ] Tandem cell of two ZnPc*C 60 p-i-n cells without metal cluster interlayer 106 mw/cm 2 U oc = 1.01 V j sc = 7.5 ma/cm² FF = 59 % eff ~ 4 % Energy Gap Cell 2 [ev] Energy Gap Cell 1 [ev] Effizienzanforderungen nur mit voltage [V] Heliatek6_MP Tandemkonzept realisierbar

12 Langzeitstabilität von Polymersolarzellen UV-Beständigkeit (Halbleiter) atm. Wasserdampf (Elektroden, Halbleiter) Mindestanforderung: 3-5 Jahre atm. Sauerstoff (Elektroden, Halbleiter) Initialverhalten: Elektroden Langzeitverhalten: Halbleiter Epoxyharz und Deckglas Beleuchtung: Schwefellampe 1000 W/m 55 C, 56 Tage Verkapselung kritisch in flexiblen Systemen

13 Kosten Kritische Parameter: Investment in Produktionstechnologien ITO Materialeffizienz Indium Price [$/kg] 900 Price, annual average (99.97% indium) U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January Year Skalierbarkeit Interne Verschaltung? Verkapselung? Interne Kostenstruktur der Zelle? Produktion

14 Indiumfreie Polymersolarzellen current density [ma/cm 2 ] 4 Voc = 636,3 mv J sc = -8,97 ma/cm 2 FF = 0,64 η = 3,67% Sample = p voltage [mv]

15 Pilotproduktion

16 Organic Vapor Phase Deposition (OVPD) Universial Display Serienverschaltete OSZ aus OVPD-Prozeß (HMI) Pilotanlage am HMI, Berlin: Materialausbeute >50% Geringe Betriebskosten (ext. Quellen) Hohe Beschichtungsraten (bis 1 nm/s) Flächenskalierbar

17 In-Line Vakuumbeschichtung Thickness [nm] average + 5% average value 338 nm average -5% Height [cm] (0 = top) Pilotanlage am IPMS, Dresden: Materialausbeute >60% Durchsatz bis 1m/min Flächenbeschichtung bis 30 x 40cm 2 Skalierbar

18 Rolle-zu-Rolle Prozessierung

19 Beschichtungstechniken für R2R Roller-Coater Curtain-Coater Screen Printing

20 Modulares R2R-Konzept

21 Rolle-zu-Rolle Prozessierung

22 Konzepte der Organischen Photovoltaik Vakuum- und lösungsmittelprozessierte Systeme besitzen vergleichbares Potential im low-cost Bereich Aktuelle Wirkungsgrade >6 % (Polymer-Fulleren-Tandem) Anforderungsprofile Effizienzanforderungen können durch Tandemkonzept erfüllt werden Lebensdauer ist noch nicht ausreichend (>3 Jahre) Günstige Kostenstruktur möglich, gegenwärtig jedoch schwer abschätzbar Produktion In-line Produktionsprozesse für beide Technologien demonstriert Pilotanlagen werden z. Zt. auf Effizienz, Durchsatz und Kosten evaluiert Erste R2R-Pilotanlage (35 MW) für flexible DSSC in Wales, UK (

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit