В рамках инициативы EffiLayers пять промышленных предприятий и исследовательских организаций разрабатывают под управлением Института лазерной техники общества Фраунгофера (ILT) из города Ахен (Германия) технологию производства органической фотогальваники по методу «из рулона в рулон». Цель инновационного проекта заключается в том, чтобы обеспечить машиностроительным предприятиям земли Северный Рейн – Вестфалия ведущую роль на рынке гибких тонкопленочных солнечных элементов и печатной электроники.
Речь идет об органических фотогальванических элементах (OPV-элементах), которые по сравнению с традиционными солнечными батареями на основе кремния имеют меньший КПД, однако при этом являются гибкими и прозрачными. Это позволяет функционально и эстетично встраивать органические фотогальванические компоненты, например, в фасады зданий. Разработка эффективной технологии изготовления OPV-элементовдолжна послужить развитию их массового промышленного производства.
 |
Инновации для гибкого производства
Отдельные слои органических фотогальванических элементов имеют толщину всего несколько нанометров. Благодаря использованию тонкопленочной технологии для нанесения покрытия на гибкую подложку на большой площади требуется лишь малое количество материала, что обеспечивает экономию ресурсов при изготовлении. Кроме того, использование метода «из рулона в рулон» позволяет организовать переработку в промышленном масштабе. По сравнению с классическим созданием фотогальванических элементов на основе кремния расходы на изготовление OPV-элементов ниже, поскольку в последнем случае отсутствуют энергозатратные и дорогостоящие технологические операции.
Уже в предыдущих проектах FlexLas и PhotonFlex института ILT особое внимание уделялось отдельным операциям метода «из рулона в рулон» для изготовления органических фотогальванических элементов. Научноисследовательский проект EffiLayers был запущен в сентябре 2019 года для реализации комплексного производственного процесса с использованием инновационных технологий, обеспечивающих выпуск продукции и контроль ее качества. В рамках этого подхода отдельные операции контролируются с помощью датчиков с высокой разрешающей способностью и включаются в систему регулирования процесса.
Несколько граммов сырья и много ячеек
«Мы хотим создать инновационный технологический процесс совместно с предприятиями-переработчиками, — говорит Людвиг Понгратц, научный сотрудник ILT. — Наш подход состоит в том, чтобы заменить дорогостоящие и энергозатратные процессы распыления на химический процесс нанесения покрытия в жидком состоянии».
Функциональные слои наносятся один на другой в виде жидкого химического раствора с помощью системы нанесения покрытий с обогреваемым щелевым соплом. Слои толщиной от 10 до 250 нм обрабатываются несколькими лазерами с короткой и сверхкороткой длительностью импульса. В непрерывном процессе для разделения отдельных элементов и удаления слоев в пограничной области используется лазерная сушка и лазерное удаление тонкого слоя. Затем органические фотогальванические элементы с использованием сварки лазером герметизируются барьерной пленкой для защиты от воздействия окружающей среды.
Понгратц отмечает: «Для изготовления фотогальванических ячеек площадью 10 м2 нам требуется всего 3 г органического активного материала. Поскольку еще в первых двух проектах мы смогли успешно реализовать на линиях многие инновационные операции, нам удалось получить одобрение на финансирование третьего проекта из средств Европейского фонда регионального развития (EFRE)».
Тончайшая лазерная разметка
В научно-исследовательском проекте EffiLayers важную роль играет лазер со сверхкороткой длительностью импульса в фемтосекундном диапазоне. Он разделяет отдельные слои таким образом, что разные фотоэлементы соединяются друг с другом по последовательной схеме. «При лазерной разметке фотогальванических элементов мы направляем на поверхность движущейся ленты 11 лучей, — объясняет Людвиг Понгратц. — Они целенаправленно разделяют материал слоя таким образом, что в итоге мы получаем 12 последовательно соединенных подэлементов на одной ленте. Сложность процесса состоит в том, что необходимо избирательно удалить слой толщиной всего в несколько нанометров, не повредив при этом находящиеся под ними слои и не вызвав короткое замыкание».
Слаженное взаимодействие промышленности и науки
Чтобы воспроизвести весь производственный процесс, Институт лазерной техники общества Фраунгофера (ILT) объединяет усилия с кафедрой прикладных лазерных технологий (LAT) Рурского университета в Бохуме. Оба научно-исследовательских учреждения тесно сотрудничают с машиностроительным предприятием из Дормагена Coatema Coating Machinery GmbH, специалистами по передаче данных из Аттендорна (Ortmann Digitaltechnik GmbH) и Дортмунда (LIMO GmbH), которые, помимо прочего, производят оптические компоненты для системы лазерной разметки.
В настоящее время в сфере применения органических материалов устанавливаются новые стандарты. Использование ноу-хау позволяет участникам проекта EffiLayers значительно повысить КПД солнечных фотоэлементов и сделать органические фотогальванические элементы пригодными для использования в помещениях. Людвиг Понгратц утверждает: «Для нас важно комплексно воспроизвести процесс и совместно с нашими партнерами разработать необходимую систему контроля и регулирования производства».
