Recyceltes Verpackungsmaterial Organische Solarzellen für smarte Verpackungen

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Forscher haben erstmals eine organische Solarzelle aus recycelten Verpackungsmaterial (Polypropylen) entwickelt. Obwohl sie aktuell nur einen Wirkungsgrad von einem Prozent bietet, gibt es schon Verwendung für sie.

Organische Solarzelle: Forscher entwickeln aus recyceltem Polypropylen Solarzellen, die beispielsweise in smarten Verpackungen verwendet werden kann.
Organische Solarzelle: Forscher entwickeln aus recyceltem Polypropylen Solarzellen, die beispielsweise in smarten Verpackungen verwendet werden kann.
(Bild: (c) Jokiewalker - stock.adobe.com )

Anders als in anorganischen, auf Silizium-basierten Solarzellen, funktionieren organische Solarzellen auf Kohlenstoff. Schaut man sich eine organische Solarzelle genauer an, dann erkennt man sehr feine Schichten organischer Moleküle, die auf ein Trägermaterial aufgetragen sind.

Diese Schichten fungieren als Elektronendonor- oder –akzeptor. Die eigentliche Stromproduktion findet an der Grenzfläche zwischen Donor- und Akzeptorschicht statt, weshalb organische Solarzellen auch unter dem Begriff „Heterojunction-Zellen“ bekannt sind.

Organische Solarzelle aus recyceltem Polypropylen

Jetzt haben Fraunhofer-Forscher recyceltes Polypropylen (rPP), das aus einem neu entwickelten Verpackungsmaterial für wiederverwertbare Getränkebeutel gewonnen wurde, gemischt mit neuem Polypropylen (vPP), um eine Substratfolie für gedruckte Elektronik mit einem Rezyklatanteil von 50 Prozent 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 (recycelte Materialien) wies das ITO fast den gleichen Schichtwiderstand auf, der auch auf unbehandelten Foliensubstraten erreicht wurde.

Druck der funktionellen OPV-Schichten

Organic Electronics Technologies P.C. (OET) aus 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.

Vorangegangen waren mehrere Versuche zu den Beschichtungsparametern sowie den anschließenden Druck der funktionellen OPV-Schichten auf das PP-Substrat. Das Substrat besteht aus 50 Prozent rPP, welches aus Verpackungsmaterial für Getränkebeutel zurückgewonnen wurde. Die Funktion der Solarzelle als Bauelement wurde mit einem maximalen Wirkungsgrad von 1 Prozent erstmals nachgewiesen.

Genügt ein Wirkungsgrad von einem Prozent?

Der Wirkungsgrad von gerade einmal einem Prozent reicht bereits aus, um Einwegverpackungen mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen. Derzeit können organische Solarzellen auf handelsüblichen Substraten einen Wirkungsgrad von über 8 Prozent erreichen.

Verbesserte Herstellungsprozesse, einschließlich Folienextrusion, Schichtdesign, Druck und Verkapselung, könnten bei organischen Solarzellen aus 50 Prozent des recycelten rPP bestehendem Materials den Wirkungsgrad um mehr als 5 Prozent steigern.

Smarte Verpackungen mit Solarzelle

Neben den smarten Verpackungen sind auch interaktive Zeitschriften für Werbung oder Consumer-Produkte denkbar. Dank der flexiblen Elektronik einer organischen Solarzelle aus recyceltem Material lassen sich die Produkte mit der notwendigen Energie versorgen.

Was ist FlexFunction2Sustain?

Mit dem Zusammenschluss von 19 Partnern aus Forschung, Universitäten und Industrie in ganz Europa zielt FlexFunction2Sustain darauf ab, kleine und mittlere Unternehmen, Start-ups und die Industrie dabei zu unterstützen, 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 Entwicklungenunterstützen, beispielsweise vom Material- und Produktdesign, der Technologie- und Produktentwicklung, der Kleinserienproduktion bis hin zur Erschließung von Finanzierungsquellen.

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