Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.
Das Vorhaben der saperatec GmbH unterteilt sich in zwei Aufgabengebiete: Zum einen werden auf Basis vorhandener Erkenntnisse zu nanoskaligen Trennmedien herstellerspezifische Rezepturen mit wirtschaftlicher Trennwirkung im Labormaßstab entwickelt, mit denen Rohstoffe aus Dünnschichtmodulen zu über 95% zurückzugewonnen werden können. Zum anderen widmet sich das Projekt der Konzipierung einer automatisierten Anlagentechnik, durch die das entwickelte Trennverfahren industriell nutzbar gemacht werden soll. Die Notwendigkeit der Entwicklung ergibt sich aus der Tatsache, dass derzeitige kommerzielle Aufbereitungs- bzw. Verwertungsverfahren nicht in der Lage sind, den Modulverbund zu öffnen, um Rohstoffe wie Indium, Gallium, Germanium, Tellur, Selen, oder auch als gefährlich eingestufte Stoffe wie Cadmium wiederzugewinnen. Vielmehr finden umweltseitig als unbedenklich eingestufte PV-Module lediglich in geringwertigen Verwertungsstrukturen (Beispiel Schaumglasproduktion) Anwendung. Die strategischen Rohstoffe gehen verloren. Gefährlich eingestufter Abfall kommt in Sonderabfalldeponien zur Einbringung. Insgesamt betrachtet kann man davon ausgehen, dass die im Stand der Technik abgebildeten Recyclingaktivitäten zu einem Verlust wichtiger Rohstoffe für die Wirtschaft führen.
Der Beitrag dieses Teilvorhabens besteht in der Synthese von organischen Farbstoffen mit Donor-pi-Brücke-Akzeptor-Gerüst (Merocyanine), die sich als Absorbermaterialien für vakuumprozessierbare Multischicht-Solarzellen, insbesondere sogenannte 'Bulk-Heterojunction' (BHJ)-Solarzellen eignen. Hieraus ergibt sich ein Anforderungsprofil, welches neben den Absorptions- und Lochleitereigenschaften auch thermische Stabilität und Sublimierbarkeit bei anwendungstauglichen Temperaturen beinhaltet. Folgende Arbeiten sind geplant: AP (Arbeitspaket) 1: Farbstoffsynthese: Strukturvariationen der Cyanoindandion-Akzeptoreinheit: a) Synthese von Farbstoffen mit neuen Akzeptoreinheiten. b) Charakterisierung der Absorptions- und Redoxeigenschaften der gelösten Farbstoffe. AP2: Farbstoffsynthese: Bichromophore Merocyanine: a) Synthese von Farbstoffen, welche aus zwei anellierten Merocyaninen bestehen. b) Charakterisierung der Absorptions- und Redoxeigenschaften der gelösten Farbstoffe. AP3: Charakterisierung von Festkörper- und Transporteigenschaften: a) Kristallstrukturanalyse wichtiger Vertreter aus AP1 und AP2. b) Vergleich der Absorptionseigenschaften von Festkörperproben, Dünnfilmen und BHJ-Materialien auf Basis von Farbstoffen aus AP1 und AP2. c) Charakterisierung der Transporteigenschaften ausgewählter Farbstoffe in vakuumprozessierten organischen Transistoren. AP4: Synthesen im Multigrammmaßstab ausgewählter Merocyaninfarbstoffe für die Optimierungsarbeiten an Solarzellen bei Partnern.