Im Rahmen des EU-Projekts PERSEUS entwickelt das Fraunhofer FEP neue optisch wirksame Oberflächenstrukturen für Perowskitsolarzellen. Durch den Einsatz der Rolle-zu-Rolle-Nano-Imprint-Lithografie (RzR-NIL) sollen Reflexionsverluste minimiert und der Wirkungsgrad von Solarzellen gesteigert werden. Im Projekt Design-PV werden dekorative Oberflächen für fassadenintegrierte Photovoltaikmodule mittels der NIL entwickelt. Die vielseitige NIL-Technologie bietet darüber hinaus Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Antifouling, Entspiegelung und Medizintechnik.
Fassadenintegrierte Photovoltaik (BIPV) verbindet nachhaltige Energieerzeugung mit modernem Gebäudedesign. Sie ermöglicht es, Solarmodule nahtlos in Fassaden zu integrieren, beeinträchtigt jedoch bislang das architektonische Erscheinungsbild. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt Design-PV (Förderkennzeichen 03EN1084A) werden ästhetisch ansprechende Lösungen entwickelt, die PV-aktive Fassadenbereiche unsichtbar mit nichtaktiven Flächen kombinieren. Zusammen mit fünf weiteren Partnern entwickelt das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP haptische Oberflächen, die mittels Rolle-zu-Rolle-Nano-Imprint-Lithografie (RzR-NIL) hergestellt werden.
Neben den ästhetischen Aspekten von Solarmodulen stehen deren Effizienzsteigerung und die Verringerung von Reflexionsverlusten im Mittelpunkt neuer Technologien. Das im Januar 2025 begonnene und durch die EU-geförderte Forschungsprojekt PERSEUS (Förderkennzeichen 101147547) zielt darauf ab, innovative Verfahren für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Perowskitsolarzellen zu entwickeln. Ein Schwerpunkt bilden dabei optisch wirksame Oberflächenstrukturen, um Reflexionsverluste zu minimieren und den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen. Das Fraunhofer FEP arbeitet hierzu unter Nutzung der RzR-NIL-Technologie an der kostengünstigen Herstellung derartiger Strukturen, welche in Zusammenarbeit mit 16 Partnern in Photovoltaikmodule für Indoor- und Outdoor-Anwendungen integriert werden.
Mittels NIL werden Oberflächentopografien auf Folien mit Strukturgrößen von wenigen 100 Nanometern über einige Mikrometer bis zum Millimeterbereich in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt, berichtet das Fraunhofer FEP. Dies ermöglicht eine großflächige, kontinuierliche Produktion der Folien. Dabei wird eine strukturierte Masterwalze in eine flüssige Lackschicht gepresst, wobei gleichzeitig der Lack vernetzt wird. Die Vernetzung des Lacks mittels Elektronenstrahlen erlaubt eine schnelle und effiziente Aushärtung der Strukturen und bietet die Flexibilität, verschiedene Pigmente oder Partikel in den Lack zu integrieren. Der Prozess wird auf einer Bahnbreite von bis zu 1250 Millimeter und einer Prozessgeschwindigkeit von mehreren zehn Metern pro Minute durchgeführt. Dies garantiert eine hohe Produktivität.
Rolle-zu-Rolle-Pilotbandbeschichtungsanlage atmoFlex 1250 mit 1200-mm-Beschichtungsbreite für die Rolle-zu-Rolle-Nano-Imprint-Lithografie (RzR-NIL-Prozess) (© Fraunhofer FEP, Jan Hosan)
Mit der Nano-Imprint-Lithografie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren eröffnen sich nach Aussage von Dr. Steffen Günther, Gruppenleiter am Fraunhofer FEP, völlig neue Möglichkeiten in der Herstellung haptischer und optisch wirksamer Oberflächen. Diese Technologie wird es uns ermöglichen, zum Beispiel die Reflexionsverluste in Perowskitsolarzellen erheblich zu reduzieren und deren Wirkungsgrad weiter zu steigern, sagt Dr. Steffen Günther. Die Herausforderung bestehe darin, den Prozess langzeitstabil zu gestalten. Hierfür optimieren wir die verwendeten Lacke hinsichtlich Abformbarkeit und Strahlenvernetzung, erklärt Dr. Steffen Günther.
Neben optischen oder photovoltaischen Anwendungen hat die Technologie vielfältige weitere Einsatzmöglichkeiten. Flexible Materialien verlangen oftmals eine spezielle Oberflächentopografie, die durch die NIL-Abformung einfach und günstig ermöglicht wird. Zielanwendungen für derart ausgestattete Folien sind zum Beispiel Lab-on-Chip-Strukturen, die Verminderung von Biofouling im maritimen Bereich, die Verbesserung der Strömungseigenschaften bei Windrädern und Containerschiffen oder die Entspiegelung von Fenstern. Auch Batterieelektroden können von einem strukturierten Substrat hinsichtlich Zyklenfestigkeit und Kapazität profitieren.
Das Fraunhofer FEP verfügt über umfassende Expertise in der Beschichtung von flexiblen Substraten wie Folien. Mit der hauseigenen Rolle-zu-Rolle-Anlage atmoFlex 1250 ist es zudem in der Lage, unter atmosphärischen Bedingungen Beschichtungen durchzuführen, was zusätzliche Effizienzvorteile und Kosteneinsparungen bei der Herstellung ermöglicht.
- www.fep.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Haptische Oberfläche auf einer Polymerfolie, erzeugt mittels RzR-NIL, die in Kombination mit einem Dekor innerhalb Design-PV als Verkleidung von BIPV-Modulen für Fassaden eingesetzt wird(© Fraunhofer FEP)
