Laserstrukturierung organischer Solarzellen

Details des Prozessfelds des Lasers

Dünnschicht-Photovoltaikmodule erfordern eine Unterteilung in einzelne Zellen, die in Serie verschaltet sind. Dafür werden bei uns u.a. Femtosekunden- Laser hoher mittlerer Leistung und hoher Wiederholungsrate mit μJ Pulsenergien in der Materialbearbeitung verwendet. Der einzigartige Vorteil der Sub-Pikosekunden-Laser ist der wirkungsvolle, schnelle und begrenzte Energieeintrag, der zu hoher Ablationswirkung und -genauigkeit in fast allen Arten von festen Materialien führt. Diese Laser sind ideal zur Strukturierung organischer Solarzellen, bei denen mindestens drei verschiedene Materialien abgetragen werden müssen.

Das sensibelste Material in organischen Solarzellen sind die organischen Schichten. Die Ablationsschwellen dieser Materialien sind wesentlich niedriger als von den transparenten und undurchsichtigen Elektroden (anorganische Materialien). In Laserstrukturierungs-Experimenten unter Verwendung derselben Energiemenge, führen die verschiedenen Schwellenwerte zu breiten Linien im organischen Absorber, während die Linie in der darunter liegenden Lochleiterschicht schmaler ist. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass mit ansteigender Geschwindigkeit des Laserstrahls die Überlappung der Einzelpulse abnimmt. Anhand dieser Experimente konnten die verschiedenen Ablationsschwellen für den organischen Absorber und den Lochleiter bestimmt werden.

Im Allgemeinen ist Laserablation mit der Ablagerung des entfernten Materials neben den Laserlinien verbunden. Insbesondere die organischen Schichten sind empfindlich auf den Niederschlag von Fremdmaterial, der zu einer Abnahme der Zellleistung führt. Um dies zu vermeiden wurden alle Experimente mit Pulslängen unter 400 fs und mit angepassten Energiedichten durchgeführt. Aufgrund der Bildung eines Plasmas unter diesen Bedingungen wurde das abgetragene Material verdampft und es konnte kein Niederschlag festgestellt werden.

Das interessanteste Merkmal organischer Solarzellen ist deren Biegsamkeit, wenn sie auf flexiblen Substraten hergestellt werden. Diese Substrate bestehen aus Polymeren (PET) das extrem hitzeempfindlich ist. Mit Pulslängen unter 400 fs wurde die Hitzentwicklung minimiert und das darunter liegende Polymersubstrat blieb unbeschädigt. Diese Untersuchungen zeigen vielversprechende Ergebnisse und zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Optimierung konzentrieren. Dabei stellt die Strukturierung ganzer Module eine große Herausforderung dar.

 

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Richard Auer

Tel.: +49 9131 9398-100 

E-Mail: Richard.Auer@zae-bayern.de

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