Organische Solarzellen auf dem Weg zur skalierbaren Fertigung
Chemnitzer DFG-Forschungsgruppe POPULAR erreichte einen Wirkungsgrad-Rekord für vollständig Rolle-zu-Rolle-kompatible organische Solarzellen mit einer im Tiefdruckverfahren hergestellten photoaktiven Schicht
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Ein Blick auf den Druckprozess am Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz: Eine bedruckte Materialbahn wird durch eine Druckanlage geführt. Foto: David Holzner, Institut für Print- und Medientechnik, TU Chemnitz.
Organische Solarzellen können dünn, leicht und flexibel sein. Während im Labor bereits Wirkungsgrade von über 20 Prozent erreicht werden, bleibt es eine Herausforderung, diese hohe Leistungsfähigkeit auf die großtechnische Produktion zu übertragen. Forschende der Technischen Universität Chemnitz haben nun organische Solarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren mithilfe skalierbarer Druck- und Beschichtungsverfahren auf flexiblen Substraten hergestellt. Gleichzeitig untersuchten sie, warum diese Solarzellen noch geringere Wirkungsgrade erreichen als ihre im Labor gefertigten Pendants.
Die Forschenden verwendeten das photoaktive Materialsystem PM6:Y12 und brachten die photoaktive Schicht mittels Tiefdruck statt durch das herkömmliche Rotationsbeschichtungsverfahren (Spin-Coating) auf. Beim Tiefdruck wird die Materiallösung mithilfe eines gravierten Zylinders auf das Substrat übertragen – ein Verfahren, das sich für die kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Fertigung eignet. Zudem verwendeten sie mit o-Xylol ein halogenfreies Lösungsmittel, das umweltfreundlicher und für die industrielle Verarbeitung besser geeignet ist als das im Labor häufig eingesetzte Chloroform.
„Wir konnten homogene photoaktive Schichten im Tiefdruckverfahren und mit einem für die industrielle Verarbeitung geeigneten Lösungsmittel herstellen. Allerdings ist das Drucken der aktiven Schicht nur ein Teil der Herausforderung. Alle Schichten müssen aufeinander abgestimmt sein, und jeder Fertigungsschritt muss mit den darunterliegenden Schichten kompatibel sein“, sagt Svitlana Taranenko, Erstautorin der Studie und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz.
Das Tiefdruckverfahren selbst ist nicht die entscheidende Einschränkung
Eine naheliegende Erklärung für den geringeren Wirkungsgrad wäre, dass das Tiefdruckverfahren die Morphologie der photoaktiven Schicht verändert – also die Art und Weise, wie sich die beiden photoaktiven Materialien innerhalb der Schicht anordnen. Die Ergebnisse zeigen jedoch ein komplexeres Bild. „Unsere Messungen zeigen, dass die Fähigkeit des photoaktiven Materials, Licht zu absorbieren und Ladungsträger zu erzeugen, durch das Tiefdruckverfahren weitgehend erhalten bleibt. Ein erheblicher Teil der Wirkungsgradverluste ist auf den Aufbau der gesamten Solarzelle zurückzuführen. Gleichzeitig verringern ein langsamerer Ladungstransport und zusätzliche Rekombination die Leistungsfähigkeit“, erklärt Dr. Maria Saladina, korrespondierende Autorin der Studie und Postdoktorandin an der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie der TU Chemnitz.
Trotz dieser Verluste erreichten die Solarzellen Wirkungsgrade von 7.3 Prozent – ein Rekord für vollständig Rolle-zu-Rolle-kompatible organische Solarzellen mit einer im Tiefdruckverfahren hergestellten photoaktiven Schicht. „Wir verstehen jetzt besser, wo die verbleibenden Einschränkungen liegen. Um die Wirkungsgrade gedruckter Solarzellen näher an die im Labor erreichten Werte heranzubringen, müssen wir den gesamten Zellaufbau optimieren, einschließlich der Grenzflächen und Ladungstransportschichten. Damit haben wir eine klare Richtung für die nächsten Schritte hin zu einer skalierbaren Fertigung”, ergänzt Saladina.
Während sich Hunderte wissenschaftliche Veröffentlichungen mit organischen Solarzellen im Labormaßstab beschäftigen, untersucht nur eine vergleichsweise kleine Zahl von Studien Solarzellen, die vollständig mit Rolle-zu-Rolle-kompatiblen Verfahren hergestellt werden. Zu den wenigen Forschungsgruppen, die sich mit dem Tiefdruckverfahren für die organische Photovoltaik beschäftigen, gehören die Gruppen um Prof. Chang-Qi Ma in China und Prof. Dr. Arved C. Hübler an der TU Chemnitz. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass es kein grundsätzliches Hindernis gibt, moderne organische Solarzellen mit skalierbaren Druckverfahren herzustellen. Die Herausforderung besteht darin, dass sich deutlich weniger Forschende mit diesen Fertigungsverfahren beschäftigen als mit Solarzellen im Labormaßstab. Mit verstärkten Forschungsanstrengungen, mehr Personal und einer langfristigen Finanzierung könnten wir die Wirkungsgradsteigerungen beschleunigen und die Leistungsfähigkeit gedruckter Solarzellen deutlich näher an die ihrer im Labor hergestellten Pendants heranbringen“, sagt Prof. Dr. Carsten Deibel, Inhaber der Professur Optik und Photonik kondensierter Materie an der TU Chemnitz und Sprecher der DFG-Forschungsgruppe POPULAR.
Die Studie zeigt, wie interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle von Drucktechnologie, Materialwissenschaft und Halbleiterphysik dazu beitragen kann, die Lücke zwischen organischen Solarzellen im Labormaßstab und ihrer zukünftigen industriellen Fertigung zu schließen.
Eine aktuelle Publikation mit dem Titel „Bridging the lab-to-fab gap in non-fullerene organic solar cells via gravure printing“ (https://doi.org/10.1039/d6el00051g) erschien in der Fachzeitschrift EES Solar der Royal Society of Chemistry. Die Forschungsarbeit entstand an der TU Chemnitz in Zusammenarbeit mit Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Durham University in Großbritannien.
Das Forschungsprojekt POPULAR
Im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe „Printed & Stable Organic Photovoltaics with Non-Fullerene Acceptors – POPULAR“ (FOR 5387) arbeiten Forschende von neun Universitäten gemeinsam daran, organische Solarzellen für großflächige Druckverfahren weiterzuentwickeln. Im Mittelpunkt stehen die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Stabilität dieser Solarzellen sowie ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Die Forschungsgruppe wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und von Prof. Dr. Carsten Deibel an der TU Chemnitz koordiniert.
Weitere Informationen erteilen Dr. Maria Saladina, Telefon +49 (0)371 531-34046, E-Mail maria.saladina@physik.tu-chemnitz.de, und Prof. Dr. Carsten Deibel, Telefon +49 (0)371 531-34878, E-Mail deibel@physik.tu-chemnitz.de.
(Quelle: Professur Optik und Photonik der kondensierten Materie)
Mario Steinebach
21.09.2026
