Papier-Photovoltaik für günstige Solarmodule aus der Druckmaschine

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Papiersubstrate bieten viele Vorteile

Weiterhin bietet der Einsatz von Papiersubstraten viele Vorteile. Sie sind kostengünstig, umweltfreundlich, biologisch abbaubar, leicht zu recyceln, mechanisch flexibel und kompatibel mit etablierten Druckverfahren. Auch für die Produktion der Zellen an sich werden alternative Materialkombinationen eingesetzt: Eine natürlich oxidierte Zinkschicht, die durch Kaltfolien-Transferdruck auf das Papier übertragen wird, fungiert als Kathode.

Das transparente und leitfähige Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) wird im Flexodruckverfahren aufgetragen und dient als Anode.

Die photoaktive Schicht besteht aus einer Mischung von Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und 1-(3-Methoxycarbonyl)-Propyl-1-1-Phenyl-(6,6)C61 (PCBM) und wird im Tiefdruck aufgebracht. Trotz der hohen Untergrundrauheit zeigen die gedruckten Papiersolarzellen einen Wirkungsgrad von 1,3% bei einer Beleuchtungsstärke von 60 mW/cm², eine Leerlaufspannung von 0,59 V und eine Kurzschluss-Stromdichte von 3,6 mA/cm².

Paradigmenwechsel: Die gedruckte Energiewende

Tastspitzenmessplatz: Erhebung der Eigenschaften der gedruckten Solarzellen (Foto: pmTUC)

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.

Gesamteffizienz des Prozesses zählt

Die Natur gibt diese Strategie vor: Auch Blätter haben nur eine Energieeffizienz von etwa 4 % und eine Lebensdauer von meist unter einem Jahr. Am Ende ist es die Gesamteffizienz des Prozesses, die über den Preis und damit den Erfolg neuer technischer Lösungen entscheidet. Die Technologie der 3PVZellen eröffnet eine Vielzahl ganz neuer Ideen, wie Systeme konzipiert und Wertschöpfungsketten gedacht werden können und könnte zukünftig eine grundlegende Energiequelle für gedruckte elektronische Bauteile darstellen.

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. Wie heute Magazine, Verpackungen oder auch Werbeplakate gedruckt werden, so könnten in Zukunft auch Solarmodule ein reguläres Druckprodukt werden.

Skalierung mittels simpler Druckknöpfe

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.

Gedruckte Elektronik als Schlüsseltechnologie

Mit dem 3PV-Ansatz eröffnet sich ein neues Anwendungsfeld für die gedruckte Elektronik. Während es die bisher diskutierten Anwendungen, wie etwa gedruckte RF-ID-Tags, gegenüber einer sehr leistungsfähigen konventionellen Elektronik schwer haben, hat die konventionelle Photovoltaik eine immanente Schwäche bei den notwendigen riesigen Flächen. Für das Drucken sind hingegen große Flächen typisch.

Als Energiequelle für die tägliche Stromversorgung sind Papier-Solarzellen 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.

Interessante Optionen etwa für Verpackungsindustrie

Besonders Industrien, die heute schon bedrucktes Papier verwenden, wie etwa die Verpackungsbranche, haben mit der 3PV-Technologie viele Optionen für neue energieautarke intelligente Lösungen.

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.

* * Prof. Dr. Arved C. Hübler ... ist Direktor des Instituts für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz und Leiter der Arbeitsgruppe 3PV

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