Institute for Print and Media Technology

of Chemnitz University of Technology [pmTUC]

Eine Vision

Prof. Dr. Arved C. Hübler

Prof. Dr. Arved C. Hübler

Vor über zehn Jahren wurde die Idee der gedruckten Elektronik populär. Neben dem traditionellen Druck von farbigen Bildern und Text wird es dabei möglich, elektronische Eigenschaften, wie z.B. Leitfähigkeit zu drucken. Spezielle Polymer- und Nanomaterialien werden als Drucktinten so auf Papier oder Folie strukturiert, dass Bauteile der Elektronik entstehen.

Zwar ist theoretisch schon lange klar, dass Drucken die einzige Fertigungstechnologie ist, mit der sich elektronische Mikrostrukturen extrem effizient massenhaft herstellen lassen, doch ist der Technologievorsprung der klassischen Siliziumelektronik nach 60 Jahren groß. Und für einfache, sehr kostengünstige gedruckte Elektronik konnten Massenmärkte bisher nicht erschlossen werden. Doch mit den neusten Entwicklungen am pmTUC sehen wir nun einem Durchbruch entgegen:

Durchbruch: 3PV printed paper photovoltaics - auf Papier gedruckte Solarzellen

Seit langem ist die Nutzung von Sonnenenergie eine zentrale technologische Herausforderung für die modernen Gesellschaften. Die Photovoltaik, also die elektronische Umwandlung von Licht in Strom, gilt dabei als besonders attraktiv. Allerdings konnte die Siliziumelektronik bisher nicht überzeugen; trotz langer und aufwendiger Forschung ist der Beitrag der Photovoltaik zur Energieerzeugung bis heute minimal - und vorwiegend durch Subventionen erkauft. Die Ursache ist bekannt. Die riesigen Erfolge der Elektronik wurden nur durch Miniaturisierung erzielt. Heute kann man unvorstellbar kleine Leiterbahnen mit 32 nm Breite produzieren. Aber Solarenergie erfordert das Gegenteil, nämlich möglichst große Flächen ohne Feinstrukturen. Und da wird die klassische Elektronik aufgrund der teuren Materialien, der sehr aufwendigen Reinraumtechniken, der Batchfertigung, etc. überproportional teuer. Mit exzellenter Forschung hat man bisher sehr komplexe Photovoltaiktechnologien entwickelt, die aber immer noch sehr teuren Strom produzieren. Doch mit der gedruckten Elektronik wird hier ein Paradigmenwechsel möglich:

Paradigmenwechsel: Die gedruckte Energiewende

Paradigmenwechsel

Anstatt mit absoluter Höchsttechnologie recht gute Effizienzen anzustreben und Haltbarkeiten von zwanzig Jahren und mehr zu erzielen, verfolgt das 3PV-Konzept die Strategie, mit möglichst billigen Materialien und dem Drucken als extrem kostengünstige Massenproduktion Solarmodule herzustellen, die nur eine moderate Energieeffizienz und eine überschaubare Lebensdauer haben - aber in der Gesamtbilanz deutliche Vorteile bieten könnten. Ein 3PV-Modul wird vielleicht nur 5% Effizienz gegenüber 15% einer konventionellen Zelle erreichen und hat vielleicht nur ein Jahr Lebensdauer gegenüber 15 Jahren. Aber ein 3PV-Modul ist dagegen wesentlich billiger.

Die Natur gibt mit dem erfolgreichsten Solarsystem überhaupt diese Strategie vor: Auch Blätter haben nur eine Energieeffizienz von 4 - 7% und eine Lebensdauer von meist unter einem Jahr.

Am Ende ist es die Gesamteffizienz des Prozesses, die über den Preis und damit über den Erfolg neuer technischer Lösungen entscheidet. Dabei eröffnet die Idee der 3PV-Zellen eine Vielzahl ganz neuer Ideen, wie Systeme konzipiert und Wertschöpfungsketten gedacht werden können.

Verteilte Effizienz: Dezentrales Drucken versus Reinraum-Fabs

Papier-Solarmodul Papier-Solarmodul
Am pmTUC gedruckte Papier-Solarmodule (3PV). Links: Die zu ca. 10 x 12 cm großen Blättern geschnittenen Module werden hier durch handelsübliche Druckknöpfe miteinander verbunden. Die Druckknöpfe dienen auch als elektrische Anschlüsse. Rechts: Papierrolle, fortlaufend mit Solarzellen bedruckt.

Mit einer weiterentwickelten 3PV-Technologie sollten in der Zukunft normale Druckereien überall auf der Welt in der Lage sein, Solarmodule zu drucken: Ohne teuren Reinraum, mit den üblichen Druckmaschinen, auf normalem Papier mit vergleichsweise kostengünstigen neuen Druckstoffen. Eine leistungsfähige Druckinfrastruktur ist weitgehend vorhanden. Eine große Druckmaschine, mit Druckbreiten von 2 m und mehr und Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/s, bedruckt heute in wenigen Stunden eine Fläche, die der weltweiten Jahresproduktion der Solarindustrie entspricht. Wie heute Magazine, Verpackungen oder auch Werbeplakate gedruckt werden, so könnten in Zukunft auch Solarmodule ein reguläres Druckprodukt werden.

Auf die Papierbahn mit den schon zuvor gedruckten Schichten wird an der Labordruckmaschine des pmTUC die letzte transparente leitfähige Schicht aus PEDOT gedruckt.

Für eine einfache Handhabung der so hergestellten 3PV-Solarmodule gibt es viele Möglichkeiten. So ist zum Beispiel die Kontaktierung und Befestigung durch Druckknöpfe denkbar. Aber auch eine Vielzahl der in der heutigen Papierverarbeitung bekannten Verfahren, etwa aus der Buchbinderei oder der Verpackungsherstellung, können hier adaptiert werden und zu spezifischen Produktausprägungen führen. Und nachdem Papiersolarzellen ausgedient haben, können sie, wie jedes andere Papierprodukt auch, einfach als Altpapier entsorgt und recycelt werden.

Es gibt viele Nutzungs- und Geschäftskonzepte für die 3PV-Technologie. Als Energiequelle für die tägliche Stromversorgung sind Papier-Solarzellen vielleicht besonders in sonnenreichen abgelegenen Gegenden denkbar, um eine autarke Low-Tech-Energiewirtschaft zu entwickeln.

Aber auch für viele High-Tech-Anwendungen, zum Beispiel im weiten Feld der Smart Objects kann eine kostengünstig eingedruckte Energiequelle zu einer zentralen Komponente für ein ganzes Spektrum neuer Lösungen werden. Besonders Industrien, die heute schon bedrucktes Papier verwenden, wie etwa die Verpackungsbranche, haben mit der 3PV-Technologie viele Optionen für neue energieautarke intelligente Lösungen.

Mit dem jetzt erreichten Meilenstein in der gedruckten Photovoltaik öffnet sich so ein weites Feld sowohl für weitere Grundlagenforschungen wie auch für eine breite und ideenreiche Anwendungsentwicklung.

Comic

Meilensteine: Bisher Erreichtes und Zukünftiges

Papier: Papier ist das kostengünstigste Substrat, besteht aus natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen, ist einfach recycelbar und hat eine weltweit sehr hohe Recyclingrate. Es wird ein gestrichenes Standardpapier verwendet.

Drucken: Gedruckte Strukturen ermöglichen eine optimale Verschaltung und Nutzung der aktiven Flächen. Wir nutzen Tief-, Flexo- und Offsetdruck für die verschiedenen Lagen. Gegenüber Inkjet- oder Siebdruck sowie einem flächigen Beschichten bestehen damit viele Vorteile. Die Druckgeschwindigkeiten gehen bis zu 0,5 m/s mit einer 14 cm breiten Papierbahn.

Materialien: Wir nutzen als untere Elektrode eine natürlich oxidierte Zinkschicht, die besonders kostengünstig ist und durch einen drucküblichen Transfer aufgetragen und im Druck strukturiert wird. Als Standard-Halbleiter wird eine Standardmischung aus dem Polymer P3HT und Fullerenen verwendet. Es gibt verschiedene Ansätze, alternative Materialkombinationen zu verwenden. Als transparente Elektrode wird anstatt des sonst üblichen, aber sehr teuren und nicht druckbaren ITO eine Tiefdruckformulierung des Polymers PEDOT verwendet. Für die sogenannte Gridstruktur zur Kontaktierung der transparenten Elektrode wird entweder eine Kupfer/Silberfarbe, eine CNT-basierte Formulierung oder eine Standard-Kohlenstoff-Offsetfarbe (Fa. e-PINC) verwendet.

Modul mit 4 Solarzellen 3PV-Modul mit vier Solarzellen in Streifenform. Der Kontakt zur nächsten Zelle ist ein Druckknopf.

Es kann im Moment gezeigt werden, daß reproduzierbar 3PV-Module gedruckt werden können, die Energieeffizienzen zwischen 1,3% und 1,7% zeigen und eine Spannung von ca. 0,5 V liefern. Eine gesicherte und standardisiert ermittelte Lebensdauer liegt noch nicht vor. Aus den bisherigen Erfahrungen erscheint ein erstes Ziel von mindestens 100 Tagen realistisch.

Durch Optimierung der Materialien und Fertigungsprozesse soll in Zukunft eine Steigerung dieser Werte erreicht werden.

Außerdem besteht natürlich direkt die Möglichkeit, auf den Modulen weitere Funktionen zu integrieren: So sind gedruckte Batterien sowie gedruckte Schaltungen zur Steuerung der Auf- und Entladung denkbar, die z.B. auf die Rückseite der Papierbahn gedruckt werden könnten.

Mit dem 3PV-Ansatz eröffnet sich ein neues Anwendungsfeld für die gedruckte Elektronik. Während es die bisher diskutierten Anwendungen der gedruckten RF-ID-Tags sowie der gedruckten oLED-Displays gegen eine sehr leistungsfähige konventionelle Elektronik schwer haben, hat die konventionelle Photovoltaik eine immanente Schwäche bei den in der Photovoltaik notwendigen riesigen Flächen, so dass für das 3PV-Konzept Anwendungen und Märkte denkbar sind.

Es liegt jetzt auch an den weiter verfügbaren Forschungsressourcen auf diesem Gebiet, ob die gedruckte Elektronik eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Energieerzeugung werden kann:

Erneuerbare Energie durch Solarmodule aus nachwachsenden Rohstoffen.

BMBF