AiF-FV-Nummer 312 ZN

Entwicklung organischer flexibler Solarzellen durch Porphyrin- und CNT-Funktionalisierung textiler Oberflächen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.01.2009 bis 31.12.2011

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Das Ziel des gemeinsam von den drei Forschungsstellen - Universität Erlangen, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I (Universität Erlangen), - Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.V. (DTNW) und - Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) durchgeführten Vorhabens war die Entwicklung von organischen flexiblen Solarzellen auf Basis von Porphyrin-Derivaten als Elektronendonoren und carbon nanotubes (CNT) als Elektronenakzeptoren und Elektronenleiter. An der Universität Erlangen erfolgte die grundlegende Entwicklung dieser aktiven Materialien sowie die Optimierung und Anpassung ihrer Eigenschaften für die Weiterverarbeitung durch das DTNW. So ist es durch die Derivatisierung der Porphyrine gelungen, die Lichtabsorptionseigenschaften zu erhöhen und ihre Löslichkeit in den für die Weiterverarbeitung benötigten Lösungsmitteln zu verbessern. Dazu wurden insbesondere konjugierte Doppelbindungen eingeführt und zusätzliche polare Kopfgruppen integriert. Die Modifizierung der CNT-Oberflächen erfolgte in ähnlicher Weise modifiziert, um die molekularen Wechselwirkungen zwischen den CNT und den derivatisierten Porphyrinen zu verstärken und eine optimale Löslichkeit der CNT in den eingesetzten Lösungsmitteln zu erzielen. Am DTNW wurden zunächst geeignete Verfahrenstechniken zum Aufbau der organischen Solarzellen aus den Porphyrin- und CNT-Derivaten auf textilen Trägermaterialien identifiziert. Zielstellung war es hierbei, eine homogene Verteilung und einen gleichmäßigen Schichtaufbau der aufzubringenden Materialien sicherzustellen. Durch einen Schichtaufbau konnten Versuchsmuster organischer Solarzellen als Multilayer, bestehend zunächst aus einer elektrisch leitfähigen Kontaktierungsschicht (PEDOT:PSS.-Schicht) auf verschiedenen Trägermaterialen und darauf aufgebrachten alternierenden Porphyrin- und CNT-Derivat-Schichten, hergestellt werden. Als besonders geeignet haben sich Sprühverfahren erwiesen, die eine kontrollierte und gleichmäßige Dünnschichtmorphologie gewährleisten. Zum Aufbau der Versuchsmuster dienten leitfähig beschichtete Glasplättchen als festes Trägermaterial sowie leitfähige Gewebe und mit leitfähigen Schichten versehene textile Halbzeuge als flexible Trägermaterialien. Die Aufgabe des IUTA bestand in der messtechnischen Charakterisierung der vom DTNW hergestellten Versuchsmuster bzgl. ihres Leistungsvermögens sowie ihrer Alterungsbeständigkeit gegenüber Bestrahlung, Temperatur und Luftfeuchte. Dazu wurde ein Versuchsstand entwickelt, mit dem die Versuchsmuster in einem Klimaprüfschrank untersucht werden können. An dem Versuchsstand ist es gelungen, die prinzipielle Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen auf Basis von Porphyrin- und CNT-Derivaten, aufgebaut auf Glasträgermaterialien, erfolgreich an Versuchsmustern demonstrieren. Damit konnte dieses wichtige Ziel des Forschungsvorhabens erreicht werden. Die an den flexiblen Versuchsmustern gewonnenen Ergebnisse zeigen jedoch zwei wesentliche Eigenschaften der textilen Träger: Die Textur textiler Flächengebilde kann zum Einen die Schichtmorphologie der CNT-Prophyrin-Derivat-Multilayer empfindlich stören und zu Schichtbrüchen, Kurzschlüssen und Ablösungen führen und zum Anderen können Ausdehnungen des Trägermaterials bereits in der weiteren Verarbeitung zu mikro- und makroskopischen Schichtschäden führen. Aus diesen Gründen konnten in der Projektlaufzeit mit textilen Trägermaterialien keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind für eine industrielle Nutzung noch nicht ausreichend. Hierfür sind weiterführende Entwicklungsarbeiten notwendig, die auf den in dem vorliegenden Vorhaben gewonnenen Ergebnissen aufbauen. Das Ziel des Vorhabens wurde aus diesem Grund nur teilweise erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente