Demonstration der integrierten Rolle-zu-Rolle-Montage von Lichtenergie-Harvestern und flexibler Hybridelektronik zur Herstellung von IoT-Geräten

Das Projekt »ENLIGHTENED« bildet die gesamte Wertschöpfungskette organischer PV für Innenraumanwendungen im Herstellungsprozess der OPV-Firma Epishine ab, die auf diesen Bereich spezialisiert ist. Die Rolle des Fraunhofer ISE im Projekt umfasst – gemeinsam mit der FAU Erlangen-Nürnberg und Epishine – die Weiterentwicklung der OPV-Technologie für Inneraumanwendungen. Verbesserte organische Halbleiter werden dafür von den Partnern Imperial College London und Brilliant Matters entwickelt. Die Europäische Kommission fördert das Projekt »ENLIGHTENED«, das sich zum Ziel gesetzt hat, die Standards für die Produktion kostengünstiger und umweltfreundlicher OPV-Anwendungen für den Innenraum neu zu definieren  und den Produkten damit zu Marktreife zu verhelfen.

Ausgangslage

Für immer mehr vernetzte Sensoriksysteme werden nachhaltige Lösungen für die dauerhafte und wartungsfreie Energieversorgung in Innenräumen benötigt. Dabei können die Anwendungsbereiche von digitalen Preisschildern im Supermarkt bis zu Ortungssystemen für
Werkzeuge in großen Betrieben reichen. Schon heute erreichen organische Solarzellen unter typischen Innenraumbeleuchtungen höhere Wirkungsgrade als das derzeit eingesetzte amorphe Silizium. Die Integration folienbasierter organischer Photovoltaik (OPV) wird dabei 
perspektivisch deutlich einfacher. Außerdem sind diese Solarzellen unzerbrechlich, was in raueren Einsatzumgebungen von Vorteil sein kann. Durch den Einsatz von Photovoltaik kann ein größerer Funktionsumfang realisiert und dennoch Batteriewechsel vermieden oder
deutlich verzögert werden, was sowohl Kosten als auch unökologische Abfallprodukte reduzieren kann.

Ziel

Am Fraunhofer ISE werden verschiedene neue Materialien getestet und Zellaufbauten untersucht, um die Wirkungsgrade von Zellen und Modulen unter künstlicher Beleuchtung auf 30 % bzw. 25 % zu erhöhen und gleichzeitig eine ausreichende Haltbarkeit unter typischen Einsatzbedingungen zu gewährleisten. 

Lösungsansatz

Dafür untersucht das Fraunhofer ISE Materialien für die Kontaktschichten und den organischen Halbleiter, die bei den Partnern (Imperial College London, Brilliant Matters) entwickelt werden. Es testet diese in verschiedenen Schichtaufbauten, um Einflüsse der Materialien selbst, der Beschichtungsreihenfolge und Umgebungsbedingungen systematisch zu analysieren und somit Materialauswahl und Herstellungsprozesse zu optimieren. Anforderungsprofile und Tests der Demonstratoren in realen Anwendungsszenarien werden durch die Partner in der Endanwendung (4MOD, Pricer) definiert. Die Partner Innovation Lab Heidelberg, Traxcon und ONIO entwickeln effektive und kostengünstige Integrationsprozesse für die OPV und die elektronischen Komponenten in flexiblen Bauteilen. 

Zwischenergebnisse

Unterdessen konnten wir einen Wirkungsgrad unter Innenraumbeleuchtung von bis zu 25 % erreichen (warmweiße LED bei 500 Lux). Dabei waren die Solarzellen bei erhöhten Temperaturen von 85°C sehr stabil. Das Projekt ist damit den Zielen (Wirkungsgrad von 30 % für kleine Solarzellen und 25 % für Module) bereits ein gutes Stück nähergekommen. Allerdings degradieren die Solarzellen unter Beleuchtung noch zu schnell. Neue OPV-Materialien, die vom Partner Imperial College synthetisiert werden, sollen weitere Verbesserungen insbesondere bei der Langzeitstabilität unter Beleuchtung ermöglichen. Dafür soll eine als instabil identifizierte Molekülstruktur durch verschiedene synthetisch-strukturelle Ansätze stabilisiert werden.

• Epishine
• Pricer
• 4Mod Technology
• Imperial College of Science Technology and Medicine (ICL)
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Fraunhofer-GEsellschaft zur Förderung der angwandten Forschung EV
• ONIO AS (ONiO)
• Flexoo GmbH (Heidelberg)