Die Herstellung von Solarzellen ist nicht unproblematisch. Die verwendeten Stoffe sind teilweise toxisch oder werden knapp. Der Energiebedarf für die Herstellung ist auch erheblich. Dass die Suche nach nachhaltigen Herstellungsverfahren ein Ziel von Forschungsprojekten ist, wundert somit nicht.

Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln, gelten als Inbegriff der grünen Energie. Aber wie werden Solarzellen eigentlich hergestellt? Betrachten wir zunächst das kristalline Silizium, ein Hauptbestandteil herkömmlicher Solarzellen. Schon die Umwandlung von Siliziumdioxid in seine wertvolle kristalline Form erfordert Temperaturen von mehr als 2000 °C ‒ ein enorm energiehungriger Prozess. Zur Herstellung von ultrareinem Silizium werden außerdem verschiedene gefährliche Chemikalien und ein berüchtigtes Treibhausgas benötigt. Weitere "Missetäter" bei der heutigen Herstellung vieler anorganischer Dünnschicht-Solarzellen sind Verbindungen der toxischen Elemente Selen und Cadmium. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist Indium in Form von Indium-Zinnoxid (ITO). Die Förderung dieses seltenen Rohstoffs wird schätzungsweise ab 2017 unrentabel, wodurch neue Herausforderungen entstehen. Oder nehmen wir Tantalum, unentbehrlich in der Hochleistungs-Elektronik, um dessen begrenzte Reserven in der Demokratischen Republik Kongo erbittert gekämpft wird.

Angesichts der zunehmenden Belastung des globalen Energienetzes und der fieberhaften Suche nach nachhaltigen Energiequellen muss deshalb sichergestellt werden, dass die Fertigungsmethoden für die Green-Energy-Gewinnung gleichermaßen nachhaltig sind - und hierin besteht das Ziel der Forschungsgruppe von Dr. Manuela Schiek in der Energie- und Halbleiterforschung an der Universität Oldenburg. Ihre Forschung konzentriert sich auf alternative Werkstoffe für die Herstellung von Solarzellen, die sowohl ungefährlich als auch jederzeit verfügbar sind. Dazu zählen der Einsatz organischer Halbleiter in der aktiven Schicht, wo die Energie eingefangen wird, sowie die Entwicklung einer lichtdurchlässigen Elektrodenschicht, bestehend aus einem Geflecht aus Silber-Nanodraht, welches in eine organische Polymer-Matrix eingebettet ist (siehe Kasten "Architektur organischer Solarzellen").
Moderne Techniken der Oberflächenanalyse liefern wertvolle Erkenntnisse zur Funktion von Solarzellen mit ihrem komplexen mehrschichtigen Aufbau. Die taktile Profilometrie und die Rasterkraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) waren jahrelang bevorzugte Techniken in der Oberflächen-Metrologie. In jüngerer Zeit wird immer häufiger die konfokale 3D-Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) eingesetzt.
Das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop vereint die Erstellung detailgetreuer optischer Echtfarbenbilder mit den Non-Contact-Funktionen der Laser-Scanning-Technologie. Genau genommen stellt es ein optisches Profilometer dar. Im Vergleich zu Techniken mit Abtastnadel ist das 3D-CLSM-Verfahren deutlich schneller und effizienter. Es bietet eine Auflösung bis zu 0,2 µm und erlaubt sogar die Vermessung weicher oder haftaktiver Oberflächen. Das vor Kurzem im Labor von Dr. Schiek installierte konfokale 3D-Laser-Scanning-Mikroskop von Olympus vom Typ LEXT OLS4100 hat sich bereits vielfach in der Materialforschung für Solarzellen bewährt.

Organische Materialien in der aktiven Schicht

In der aktiven Schicht wird die Energie aus den Photonen gewonnen. Bei organischen Solarzellen besteht diese Schicht häufig aus einer diskontinuierlichen Mischung ("Blend") zweier Materialien, eines Polymers und eines Fullerens. Diese Bulk-Heterojunction-Struktur, bei der das Polymer als Elektronen-Donor und das Fulleren als Elektronen-Akzeptor dient, führt zu einer effektiveren Ladungstrennung der Elektronen und Löcher und somit einer besseren Funktion der Solarzelle. Polymere sind jedoch oft nichts anderes als grob definierte Gemische von Materialien unterschiedlicher Kettenlänge, deren Eigenschaften von einer Charge zur nächsten stark schwanken können. Dagegen bestehen molekulare Halbleiter aus exakt definierten Bausteinen, deren Eigenschaften sich oft schon durch geringfügige Strukturveränderungen anpassen lassen, um die Funktion der Solarzelle zu optimieren. Eine vielversprechende Klasse solcher Moleküle sind Squaraine mit einem breiten Absorptionsband im Rotbereich des Lichtspektrums. Die Forschungsgruppe von Dr. Schiek arbeitet derzeit an einer aktiven Schicht für Bulk-Heterojunction-Solarzellen, die aus einer Mischung aus Squarainfarbstoffen und einem Fulleren-Akzeptor besteht.
Von Bedeutung ist die Dicke der photoaktiven Schicht: Ist sie zu dünn, wird nicht genug Licht absorbiert oder es entstehen Kurzschlüsse; ist sie hingegen zu dick, rekombinieren die Ladungsträger bevor sie die Elektroden erreichen.
Die genaue Messung der Schichtdicke ist somit wichtig. In Dr. Schieks Labor wird zunächst mit einer feinen Nadel ein Kratzer in die Oberfläche der aktiven Schicht eingegraben. Die Kanten des entstandenen "Tals" werden dann profilometrisch vermessen. Bisher kam dafür die taktile Profilometrie zum Einsatz, doch macht die Weichheit des organischen Materials eine genaue Messung sehr schwierig. Tatsächlich wurde oft ein Höhenunterschied von etwa 20 nm zwischen zwei Kanten gemessen - ein beträchtlicher Wert angesichts einer durchschnittlichen Gesamtdicke der aktiven Schicht von nur 100 nm. Dies kam jedoch durch das Einritzen der Oberfläche beim "Aufsteigen" der Nadel aus dem Tal zustande, wodurch die gemessene Höhe zu niedrig ausfiel.
Heute dagegen, mit der konfokalen 3D-Laser-Scanning-Mikroskopie, wird die Oberfläche statt mit der Nadel von einem Laser abgetastet. Mit diesem kontraktfreien Verfahren lässt sich eine wesentlich höhere Genauigkeit der Oberflächen-Profilometrie erzielen (Abb. 2). Nicht zuletzt lässt sich die Probe jetzt viel intuitiver visuell darstellen. Mit dem LEXT OLS4100 lassen sich alle Informationen einfach in einem Bericht zusammenfassen, wo das Bild die numerischen Daten ergänzt.

Lichtdurchlässige Elektroden

Lichtdurchlässige Elektroden vereinen optische Transparenz mit Leitfähigkeit. Sie bilden die Fensterelektrode der Solarzelle und ermöglichen somit den Durchtritt von Licht zur photoaktiven Schicht. Die schwindende Ressource ITO ist derzeit noch der Industriestandard für transparente Elektroden. ITO ist zudem sehr spröde und für mechanisch flexible Anwendungen nur begrenzt geeignet. Folglich wird mit Hochdruck nach einer Alternative gesucht. Sie soll möglichst leicht, kostengünstig und flexibel sein und sich für die Verarbeitung im großen Maßstab eignen. Ein möglicher Kandidat ist Graphen, jedoch besteht es aus recht kleinen Flocken und eignet sich damit nur bedingt für größere Flächen.
Ein vielversprechender Lösungsweg besteht in einem Geflecht aus Silber-Nanodrähten (AgNW), eingebettet in eine Polymer-Matrix. Daher konzentriert sich ein zweites Projekt im Labor von Dr. Schiek auf die Produktion von Silber-Nanodrähten, deren Weiterverarbeitung zu Elektroden und deren Integration in organische Solarzellen.
Für eine optimale Leitfähigkeit muss zwischen der aktiven Schicht und der Elektrode eine gleichmäßige Verbindung bestehen. Dies erfordert ein homogenes Silber-Nanodraht-Geflecht. Da der Silberdraht-Durchmesser von rund 100 nm der Dicke der aktiven Schicht entspricht, ist es außerdem wichtig, Anhäufungen von Draht zu vermeiden und ein Durchstechen der aktiven Schicht zu verhindern. Somit spielt die Beurteilung der Oberflächenrauigkeit eine zentrale Rolle für die Optimierung des Präparationsprotokolls.
Bisher war die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) die wichtigste Technik zur Beurteilung der Oberflächenrauigkeit des AgNW-Geflechts. Mit der Einführung der konfokalen 3D-Laser-Scanning-Mikroskopie konnte die Effizienz jedoch deutlich gesteigert werden. Zunächst stellte Dr. Schiek fest, dass die Ausweitung des Sehfeldes mithilfe der Stitching-Funktion die Darstellung eines repräsentativeren Ausschnitts der Elektrodenoberfläche ermöglicht. In kleineren Ausschnitten erscheint das AgNW-Geflecht unter Umständen regelmäßig, doch auf hoch aufgelösten Bildern der Fläche einiger Quadratmillimeter (hundertmal größer, als mit einem AFM-Bild möglich war) lassen sich Materialanhäufungen, die sonst übersehen worden wären, problemlos erkennen (Abbildung 4a, b). Die Software erlaubt die dreidimensionale Darstellung des Höhenprofils, eine Funktion, die sowohl für die Analyse als auch für die Dokumentation von Nutzen sein kann. Der Tiefpassfilter lässt sich von 80 µm auf 800 µm Höhe steigern, wodurch aussagekräftige Analysen von erhöhten Bereichen im Silber-Nanodraht möglich werden.
Nicht zuletzt ist das herkömmliche AFM-Verfahren sehr zeitaufwändig. Zunächst muss man das Gerät justieren. Die eigentliche Abtastung dauert bis zu einer Stunde. Bis sämtliche spitzenbedingten Artefakte korrigiert sind, kann häufig ein ganzer Tag verstreichen, bevor man ein einziges brauchbares Bild bekommt. Dank der speziellen Software des 3D-CLSM können heute selbst Studenten mit wenig Mikroskopie-Erfahrung schnell und intuitiv Bilder erzeugen. Im Hinblick auf die Qualität der Ergebnisse stellten die Forscher fest, dass AFM und 3D-CLSM mit dem LEXT OLS4100 vergleichbare Resultate erbrachten. Gleichzeitig profitierten sie bei dem neuen Verfahren von der höheren Effizienz in der Beurteilung der Oberflächenrauigkeit lichtdurchlässiger Elektroden.
Ein weiterer interessanter Aspekt dieses Projekts ist das weitreichende Potenzial lichtdurchlässiger Elektroden für eine Vielzahl opto-elektronischer Anwendungen, darunter auch LEDs und Touch-Screens. Auch hier steht die Entwicklung von Alternativen zu ITO im Mittelpunkt intensiver Forschung.

Zusammenfassung

Die Sicherung der globalen Stromversorgung auf nachhaltige Weise stellt für die moderne Welt nach wie vor eine der größten Herausforderungen dar. Dies macht die Forschung auf der Suche nach innovativen Lösungen so spannend. Der Einsatz leicht verfügbarer Materialien, die auf neuesten technologischen Entwicklungen basieren, erscheint als zukunftsträchtige grüne Alternative zur herkömmlichen Solarzellenfertigung.
Das konfokale 3D-Laser-Scanning-Mikroskop LEXT OLS4100 von Olympus bietet für die Forschungsgruppe um Dr. Manuela Schiek zahlreiche Vorteile gegenüber nadel-basierten Methoden - von der präzisen Stufenmessung an der aktiven Schicht mittels berührungsloser Profilometrie bis hin zu höherer Effizienz der Analyse dank schneller und leistungsfähiger Software-Funktionen. Erneuerbare Energien werden in den kommenden Jahren immer stärker in den Mittelpunkt rücken, und die stetige technische Weiterentwicklung in der Lichtmikroskopie wird bei der solaren Revolution aller Voraussicht nach eine zentrale Rolle spielen.