Лазерный мир

Новый проект призван увеличить массовое производство органических фотоэлектрических элементов с использованием ряда различных лазерных технологий, таких как абляция нанометровых слоев на движущейся пленке с помощью лазерного скрайбирования USP в фемтосекундном (fs) режиме.

Абляция нанометровых слоев на движущейся пленке с помощью лазерного скрайбирования USP в фемтосекундном (fs) режиме. (Изображение: Fraunhofer ILT)

Новый проект призван увеличить массовое производство органических фотоэлектрических элементов с использованием ряда различных лазерных технологий.

Оба лазера с короткими и ультракороткими импульсами будут использоваться в рамках проекта EffiLayers, запущенного в сентябре, для повышения эффективности процессов с рулона на рулон (roll-to-roll), которые можно использовать для изготовления элементов в промышленном масштабе.

Органические фотоэлектрические элементы (ячейки OPV, Organic photovoltaic cells), хотя и менее эффективны, чем традиционные солнечные элементы на основе кремния, являются гибкими и прозрачными. Это позволяет им функционально и декоративно интегрироваться, например, в фасады зданий.

Отдельные слои ячеек OPV имеют толщину всего несколько нанометров, а это означает, что для покрытия больших площадей гибкими подложками требуется только небольшое количество материала — площадь 10 м2 может быть получена с использованием только трех граммов органического активного материала. Таким образом, производители экономят ресурсы. Их изготовление с использованием промышленных процессов рулонной печати также устраняет необходимость в энергоемких и дорогостоящих технологических процессах, как это требуется при классическом производстве фотоэлектрического кремния.

«Мы хотели бы внедрить этот процесс в соответствии с требованиями отрасли», — подтвердил Людвиг Понгратц, исследователь Fraunhofer ILT — одного из пяти партнеров EffiLayers по проекту. «Наш подход заключается в замене дорогостоящих, энергоемких процессов напыления процессами мокрого химического нанесения покрытий (wet-chemical coating processes)».

Партнеры проекта используют лазеры для улучшения производства органических фотогальванических материалов. (Изображение: Fraunhofer ILT)

В новом подходе функциональные слои ячеек наносятся друг на друга с помощью химических растворов с использованием щелевой нагреваемой экструзионной головки (heated slot-die coating). Слои толщиной от 10 до 250 нм затем обрабатываются с использованием нескольких лазерных источников, излучающих как короткие, так и ультракороткие импульсы.

Например, лазер с ультракороткими импульсами в фемтосекундном режиме используется для разделения отдельных слоев, так что отдельные ячейки могут быть соединены последовательно. «С помощью лазерной разметки мы направляем одиннадцать разделенных лучей на поверхность, пока пленка движется», — пояснил Понгратц. ‘Лазерные лучи избирательно разделяют композитные слои, так что в конце на одной пленке получается двенадцать последовательно соединенных субэлементов. Задача состоит в том, чтобы избирательно удалять отдельные слои толщиной в нанометры, не повреждая нижележащие слои и не вызывая коротких замыканий ».

Ячейки OPV позже запечатываются лазерным излучением заключением в пленку барьера, чтобы защитить их от факторов окружающей среды.

Камера линейного сканирования высокого разрешения используется для управления лазерным скрайбированием с помощью одиннадцати лазерных лучей в новом процессе EffiLayers. (Изображение: Fraunhofer ILT)

Чтобы обеспечить весь процесс, Fraunhofer ILT сотрудничает с кафедрой прикладных лазерных технологий (LAT) в Ruhr-Universität Bochum. Два немецких научно-исследовательских института тесно сотрудничают с заводом-изготовителем Coatema Coating Machinery из Дормагена, специалистами по коммуникациям Ortmann Digitaltechnik из Attendorn и LIMO из Дортмунда, последний из которых предоставляет оптические компоненты для одиннадцати частичных пучков.

Отдельные сложные этапы, связанные с рулонным производством ячеек OPV, были первоначально разработаны в двух предшествующих проектах, проведенных партнерами, FlexLas и PhotonFlex. С тех пор EffiLayers была запущена с целью внедрения и интеграции инновационных технологий анализа и обработки в производственный процесс. Отдельные этапы процесса будут контролироваться датчиками высокого разрешения и реализовываться в системе управления процессом.

«Поскольку мы смогли успешно реализовать множество инновационных технологических процессов на нашем предприятии в первых двух проектах, финансирование третьего проекта было одобрено за счет средств Европейского фонда регионального развития (ЕФРР)», — отметил Понгратц.

Fraunhofer ILT

Источник: https://www.lasersystemseurope.com/news/lasers-set-augment-production-organic-photovoltaic-cells