Die erste organische Solarzelle auf recyceltem Polypropylen

Um Verbund- und Mehrschichtmaterialien, die nicht rezyklierbar oder abbaubar sind, zu ersetzen, werden neuartige Polymerzusammensetzungen, etwa auf biologischer Basis und/oder biologisch abbaubar, sowie angepasste Produktdesigns als Lösungsansatz diskutiert. Bei intelligenten Verpackungen muss auch die Elektronik umweltfreundlicher gestaltet und beispielsweise so konzipiert werden, dass sie recycelbar ist und unter Verwendung von Rezyklaten hergestellt wird.

Mit dem Zusammenschluss von 19 Partnern aus Forschung, Universitäten und Industrie in ganz Europa zielt das EU-Projekt „Flexfunction2Sustain“ darauf ab, KMUs, Start-ups und die Industrie dabei zu unterstützen, innovative Konzepte und Ideen für Produkte auf der Basis von nanofunktionalisierten Kunststoff- und Papieroberflächen und -membranen auf den Markt zu bringen. Das Flexfunction2Sustain-Netzwerk – ein Open Innovation Testbed (OITB) für Nanofunktionalisierungstechnologien – bietet Zugang zu umfassenden Dienstleistungen, die Innovationen unterstützen, beispielsweise vom Material- und Produktdesign, der Technologie- und Produktentwicklung, der Kleinserienproduktion bis hin zur Erschließung von Finanzierungsquellen.

Die Projektpartner Fraunhofer IVV und IPC Centre Technique Industriel de la Plasturgie et des Composites verwendeten recyceltes Polypropylen (rPP), das aus einem neu entwickelten Verpackungsmaterial für wiederverwertbare Getränkebeutel gewonnen wurde, gemischt mit neuem Polyproypylen (vPP), um eine Substratfolie für gedruckte Elektronik mit einem Rezyklatanteil von 50 % herzustellen.

Am Fraunhofer FEP wurde eine transparente Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) über Rolle-zu-Rolle (R2R)-Vakuumbeschichtung mittels Magnetron-Sputtern mit speziell angepassten Prozess- und Wickelparametern aufgebracht. Trotz der im Substrat verwendeten Rezyklate wies das ITO fast den gleichen Schichtwiderstand auf, der auch auf unbehandelten Foliensubstraten erreicht wurde.

Organic Electronics Technologies P.C. (OET) in Griechenland übernahm die R2R-Schlitzdüsen-Beschichtung zur Herstellung der organischen Solarzellen, gefolgt von einem Verkapselungsschritt und dem anschließenden Druck der organischen Materialien bis zur Fertigstellung der organischen Solarzelle. Die Wissenschaftler von OET führten mehrere Versuche zu den Beschichtungsparametern durch und erreichten so den Druck der funktionellen OPV-Schichten auf das PP-Substrat, das aus 50 % rPP besteht, welches aus Verpackungsmaterial für Getränkebeutel zurückgewonnen wurde. Die Funktion der Solarzelle als Bauelement wurde mit einem maximalen Wirkungsgrad von 1 % erstmals nachgewiesen.

"Der Wirkungsgrad von etwa 1 Prozent reicht bereits aus, um eine breite Palette von intelligenten Einwegverpackungen mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen. Derzeit können organische Solarzellen auf handelsüblichen Substraten einen Wirkungsgrad von über 8 Prozent erreichen. Durch die Verbesserung des gesamten Herstellungsprozesses, einschließlich Folienextrusion, Schichtdesign, Druck und Verkapselung, kann der Wirkungsgrad von organischen Solarzellen, die auf recycelten, zu 50 Prozent aus rPP bestehendem Material gedruckt werden, noch um mehr als 5 Prozent gesteigert werden“, erklärt Vasileios Kyriazopoulos, Projektleiter bei OET.

Künftig können auf Basis dieser ersten Entwicklungen Produkte wie smarte Verpackungen, aber auch interaktive Zeitschriften im Bereich Werbung oder auch Consumer Geräte konzipiert werden. Dank flexibler Elektronik wie einer organischen Solarzelle auf recyceltem Material werden die Produkte von morgen mit Strom versorgt, um ihre Funktionalität zu erfüllen – das Ganze nun einen Teil umweltfreundlicher.  

Das Flexfunction2Sustain-Konsortium wird künftig an der Verbesserung des Extrusionsprozesses für die recycelte Folie arbeiten. Zudem steht die Entwicklung eines neuen Schichtdesigns für die verbesserte Oberflächenqualität auf der Agenda. Der OPV-Prozess birgt ebenso Potenzial zur Verbesserung der Trocknungstemperaturen und bei den Verkapselungsstrategien. In Summe führt dies zu einer echten Perspektive, mit flexibler Elektronik auf neuen Materialien ähnliche Leistungen zu erreichen, wie sie auf herkömmlichen - auf fossilen Rohstoffen basierenden - Kunststofffolien erzielt werden.

Quelle: Fraunhofer FEP