28 February 2020

„PhotonFlex“ – Organische Solarzellen von der Rolle

photonflex  efre nrw de EFRE 0800069  efre de

PhotonFlex“ – Organische Solarzellen von der Rolle

Im Fokus des Förderprojektes „PhotonFlex“ stand die Entwicklung und Erforschung einer vollständigen Rolle-zu-Rolle (R2R)-Prozesskette für die Herstellung von flexibler organischer Photovoltaik (OPV).

Die Coatema Coating Machinery GmbH erarbeitete gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität Bochum (LAT), der Ortmann Digitaltechnik GmbH und der LIMO GmbH zukunftsorientierte Technologien für eine integrierte Beschichtungs-, Strukturierungs- und Verkapselungs-Technik.

Der funktionelle Schichtaufbau wurde im Labor am LAT entwickelt und erforscht, mit dem Ziel eine nasschemische Beschichtung mittels Breitschlitzdüse auf der R2RAnlage am ILT zu realisieren.

Um die zur Verfügung stehende Leistung der OPV zu erhöhen, wurde direkt im Fertigungsprozess eine serielle Verschaltung einzelner Zellen vorgenommen. Hierfür wurden die wenige Nanometer dicken Schichten selektiv mittels eines Ultrakurzpulslasers abgetragen. Der damit verbundene Verlust an optisch aktiver Fläche konnte durch stark fokussierende Optiken minimiert werden. Des Weiteren wurde die Produktivität des R2R-Laserprozesses durch die Aufteilung des Hauptstrahls in elf parallel arbeitende Teilstrahlen gesteigert.

Verkapselung

Dafür notwendig ist Entschichtung

Ein Schutz der organischen Photovoltaikzellen vor Umwelteinflüssen wurde im Projekt durch die Verkapselung der OPV erreicht. Hierfür haben das Fraunhofer ILT und die LIMO GmbH ein Schweißverfahren mit angepasster Wellenlänge entwickelt, dass ein absorberfreies Schweißen von transparenten Folien in der R2R-Anlage ermöglicht. Um die PET-Trägerfolie gasdicht mit einer Schutzfolie zu verschweißen, wurde zusätzlich ein lasergestütztes Entschichtungsverfahren in die R2R-Anlage integriert, womit der gesamte OPV Schichtaufbau im Randbereich des Bands entfernt wird.

Die Ortmann Digitaltechnik GmbH integrierte innovative Prozesskomponenten zur Prozessüberwachung in eine maßgeschneiderte Coatema Rolle-zu-Rolle Anlage, so dass im Rahmen des Projekts der Großteil der OPV-Prozesskette erfolgreich abgebildet werden konnte.

Die Coatema-Pilotanlage wurde um folgende essentielle Komponenten erweitert:

  • eine eigens für das Projekt entwickelte UKP-Laserstrahlführungsoptik für 11 Teilstrahlen der Firma LIMO GmbH,
  • ein Galvanometerscanner für die Randentschichtung,
  • Prozesskontrolle durch kamerabasierter Bahnkantenerkennung und inkrementellen Drehgeber der Ortmann Digitaltechnik GmbH,
  • sowie eine dritte Strahlquelle zur Umsetzung des Laserschweißprozesses.

PhotonFlex

Mit diesen Technologien werden den in NRW ansässigen Herstellern leistungsfähige Verfahrens- und Systemkomponenten bereitgestellt, um ihnen im Markt der flexiblen Solarzellen und der druckbaren Elektronik eine Vorreiterrolle zu ermöglichen.

PhotonFlex_Pressemitteilung

 


 

„PhotonFlex“ – organic solar cells manufactured in a roll to roll process

The project „PhotonFlex“ focused on the investigation and development of an entire roll to roll (R2R) process chain for the fabrication of flexible organic photovoltaic (OPV).

In close collaboration, the Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT), the Chair of Applied Laser Technology at the Ruhr University Bochum (LAT), Ortmann Digitaltechnik GmbH, LIMO GmbH and Coatema Coating Machinery GmbH developed innovative technologies for integrated coating, patterning and encapsulation processes for OPV production.

The functional layer stack for the OPV solar cells was developed and investigated in the laboratories of LAT. Finally, the preparation of this OPV layer stack was transferred to a wet chemical coating / deposition process that could be performed on the R2R machine at ILT. In order to increase the available power of the OPV, a serial interconnection of the individual solar cells was implemented  into the manufacturing process. For this purpose, the single layers, with a thickness in the nanometer regime, were selectively ablated by using an ultra-short pulse laser. The associated loss of optically active area was minimized by using highly focusing optics. Furthermore, the productivity of the R2R laser process was increased by splitting the main beam into eleven parallel partial beams.

The protection of the OPV cells against harmful environmental influences (e.g. oxygen and air moisture), that can lead to a fast degradation of the OPV layer stack materials, was achieved by encapsulation. For this purpose the ILT and LIMO GmbH  developed a welding method based on an adapted wavelength. This technique allows absorbance-free welding of transparent substrates inside the R2R tool. However, in order to weld the PET carrier substrate gas-proof with a protective foil, it is necessary to remove the OPV stack materials in the welding area. Therefore, a laser-based ablation process was integrated into the R2R system. This laser process can remove the entire OPV layer stack in the edge area of the PET carrier foil (where the welding process takes place).

Ortmann Digitaltechnik GmbH integrated innovative monitoring components for optimum process surveillance inside the R2R tool.

Finally, using these innovative technologies it was possible to customize the Coatema R2R system an implement of all essential steps of the OPV fabrication process chain.

The Coatema pilot line was extended with the following components:

  • A specially for this project designed ultra short pulse laser beam guidance optics by LIMO GmbH
  • Galvanometer scanner for ablation / removal of the OPV layer stack materials at the edges; 
  • Process control through camera-based web edge detection and incremental rotary encoder from Ortmann Digitaltechnik GmbH,
  • and a third beam source to implement the laser welding process.

Utilizing these technologies, manufactures based in North-Rhine-Westphalia, are provided with powerful process and system components to allow them to take a pioneering role in the market for flexible solar cells and printable electronics.

PhotonFlex_Press release