Christine Boeffel hat einen schönen Arbeitsweg. Die Forscherin fährt jeden Morgen an den idyllischen Stadtrand der brandenburgischen Landeshauptstadt Potsdam – in den Stadtteil Golm, hinein in eine Landschaft aus Wäldern, Flüssen und Seen, die gerade oft im gleißenden Wintersonnenlicht glitzern.

Doch Boeffels Interesse gilt ganz anderen Lichtquellen. Und die kommen aus dem Inneren eines Druckers. Die Wissenschaftlerin ist Chefin der Abteilung für Funktionsmaterialien und Bauelemente am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP). Dort werden organische Leuchtdioden (OLED) einfach ausgedruckt. Und nicht nur das: Auch organische Solarzellen lassen sich mittels des neuen Verfahrens herstellen.

„Unsere Drucker sind nicht viel komplizierter als der Drucker in Ihrem Büro“, erklärt Boeffel Besuchern. Sie ist gerade auf dem Weg zu jenem Raum, in dem sich die Geräte befinden. In großen Glasboxen stecken Boeffels Maschinen. Aus den Fensterscheiben der Kästen ragen luftdicht abgeschlossene Handschuharme in die Boxen rein. Die Glaskästen sind mit Stickstoff gefüllt. So können die Wissenschaftler ausschließen, dass Wasser und Luft die Druckergebnisse unbrauchbar machen. 

Trotz dieses Aufwands ist das Verfahren, das die Wissenschaftler in Kooperation mit dem Garchinger Maschinenbauunternehmen
M-Braun entwickelt haben, vergleichsweise kostengünstig: Boeffel und ihre Mitarbeiter dampfen nämlich nicht – wie sonst bei der Herstellung von OLEDs und organischen Solarzellen üblich – die Schichten auf eine Folie. Das funktioniert nur in einer Vakuumumgebung und kostet entsprechend viel Geld. Zudem ist der Materialverlust bei der Aufdampftechnologie sehr hoch – mehr als 50 Prozent der eingesetzten Rohstoffe gehen verloren. Beim Drucken hingegen sind es gerade mal zehn Prozent.

Verschiedenste Druckverfahren werden am IAP auf ihre Tauglichkeit getestet – von der Rotationsbeschichtung bis zu klassischen Techniken wie Sieb- und Tintenstrahldruck. Welche davon benutzt wird, hängt auch vom Anwendungsbereich ab. „Tintenstrahldruck kommt beispielsweise dann zum Einsatz, wenn ich etwas individuell strukturieren will – egal, ob in der Dicke oder in der Fläche“, erklärt Boeffel. So können zum Beispiel beschriftete, leuchtende Schilder hergestellt werden. Oder auch organische Solarzellen, die wie Blätter aussehen und auf Fensterglas aufgebracht werden.

Christine Boeffel läuft weiter ins nächste Labor. Dort steht eine Vitrine, die voll ist mit schwarzen Platten in vielen verschiedenen Größen. Es handelt sich um Prototypen der ganz besonderen Art: Gedruckte leuchtende Flächen aus OLEDs, deren Informationen sichtbar sind, wenn der Strom angeknipst wird. Boeffel nimmt eine der Platten heraus und schließt sie mit zwei Klemmen an eine Stromquelle an. Sofort leuchtet ein Bild auf – mal ein einzelner Buchstabe, mal das Portrait eines Mitarbeiters mit Schattierungen. Diese Schattierungen ließen sich erzeugen, indem „das aktive Material in der Dicke variiert“ werde, erklärt die Wissenschaftlerin und lächelt stolz. Sie sind im abgeschalteten Zustand nicht sichtbar. Damit eigne sich die Technik dafür, erklärt Boeffel, elektronische Wasserzeichen zu erzeugen, die nur sichtbar werden, sobald Strom fließt. 

Es lassen sich allerdings auch Leuchtdioden herstellen, die Bilder ohne dauerhafte Stromzufuhr erzeugen. Dazu wird die inaktive Elektrodenschicht in unterschiedlicher Materialstärke gedruckt. So bleiben Schatten der Bilder selbst dann noch sichtbar, wenn längst der Saft abgedreht worden ist. 

Ein wenig anders als Bürodrucker sind sie dann doch, Christine Boeffels Maschinen. „Der kleinste Drucker, den wir verwenden, druckt nur mit einer Düse, der größte gar mit 256 Düsen“, erläutert die Forscherin. Ein herkömmlicher Tintenstrahler bringt es dagegen gerade mal auf vier Farbspritzen.

Die Wissenschaftler können mittlerweile Strukturen drucken, die lediglich 100 Mikrometer breit sind – das entspricht dem Durchmesser eines Haares. Doch solche haarfeinen Ergebnisse sind erst ein Zwischenziel. Boeffel will die Druckbreite auf 20 Mikrometer reduzieren: „Damit ließen sich Leiterbahnen drucken.“ Komplette elektronische Schaltkreise könnten dann im Ausgabefach eines Printers liegen. Für organische Solarzellen allerdings muss es genau in die andere Richtung gehen. 

Wie weit man damit bereits gekommen ist, lässt sich in den Niederlanden besichtigen. An der renommierten Technischen Universität der Stadt Eindhoven wird heute schon einiges ausgedruckt, was man mit der Drucktechnologie kaum in Zusammenhang bringen würde: künstliches Fleisch, menschliche Organe. Und jetzt auch organische Solarzellen. 

Je größer dabei die Druckbreite, desto besser. „Bei 1.024 Düsen pro Druckkopf schaffen wir fast sieben Zentimeter“, erklärt Ronn Andriessen von dem eigens dafür aus der Taufe gehobenen Forschungsverbund Solliance. Die Wissenschaftsallianz, zu der unter anderem der wichtigste niederländische Technologiekonzern Philips gehört, entwickelte jüngst eine Solarzelle, die vollständig per Tintenstrahldrucker hergestellt wurde.

Der Demodrucker spritzt aus jeder Düse ein anderes Ausgangsmaterial, ähnlich flüssig wie Tinte, auf einen Träger. So entstehen Schicht für Schicht Solarzellen. Am Ende ist der aktive Teil zwischen zehn und 400 Nanometer groß – ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters. 

Die „Tinten“ sind komplexe Kombinationen aus vielen Stoffen. „Alle Parameter müssen dafür gleichzeitig stimmen“, sagt Andriessen, „Stabilität, Konzentration der aktiven Substanz, Oberflächenspannung, Viskosität und so weiter“. Als Trägermaterialien dienen in der Regel Kunststoffe.

Allerdings druckten bereits 2011 Wissenschaftler des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) funktionsfähige Solarzellen auf einfaches Papier. Selbst zusammengefaltete Taschentücher und Papierflugzeuge können damit Strom erzeugen. 

Nur der Wirkungsgrad ist fast Null: Mit ein oder zwei Prozent lag er weit unter allen anderen bekannten Solarzellen-Technologien. Die Amerikaner nutzten allerdings das ineffektive Aufdampfsystem und nicht flüssige Tinte wie jetzt die Niederländer oder ihre Forscherkollegen vom Potsdamer Fraunhofer-Institut.

Ihren größten Vorteil haben allerdings alle Druckverfahren gemeinsam. „Kein Herstellungsverfahren ist kostengünstiger“, sagt Alexander Colsmann. Der Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gehört zur Kernmannschaft eines weiteren Forschungsprojekts rund um den Solarzellendruck, das einen besonders sperrigen Titel, dafür aber eine griffige Abkürzung hat: „Entwicklung neuer Materialien und Devicestrukturen für konkurrenzfähige Massenproduktion und Anwendungen der organischen Photovoltaik“, kurz: POPUP. 

Ende 2013 gestartet, versammelt darin das KIT große Namen der Industrie: Außer dem KIT gehören Merck, Siemens, Centrosolar Glas, Poly-IC, Kurz, Belectric sowie weitere Partner zu der Arbeitsgruppe. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt mit acht Millionen Euro. Ziel: Entwicklung von Grundstoffen und Verarbeitungsmethoden für gedruckte „flüssigprozessierte Zellen“. 

Diese organischen Solarzellen sind ein ausgesprochenes Nischenprodukt. Und mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent im Labor liegen die gedruckten Zellen auch noch weit unter den 15 bis 20 Prozent klassischer Siliziumsolarzellen. Aber im Unterschied herkömmlichen Zellen eignen sich die gedruckten für viele Einsatzgebiete, bei denen die Verwendung etablierter Technologien nicht möglich ist:
Bei Smartphones, Bildschirmen, Beleuchtungsanlagen und sogar auf Kleidungsstücken wie Uniformen könnten die Folien als flexible Mini-Kraftwerke eingesetzt werden. Bis 2022 soll der Markt für die gesamte organische Photovoltaik immerhin auf 630 Millionen Dollar Umsatz anwachsen, schätzen die Branchenexperten des britischen Analysehauses Idtechex in einer Studie. 

Doch ganz weit vorne sehen die Marktforscher einen anderen Bereich, der auch durch Drucktechnologien seinen neuen Schub erhält: den der organischen Leuchtdioden. 2023, erwarten die Marktexperten von Idtechex, sollen mit den organischen Lichtspendern 1,3 Milliarden Dollar umgesetzt werden – bei einem durchschnittlichen Marktwachstum von 50 Prozent im Jahr. Voraussetzung dafür sei allerdings, dass die Hersteller ihr „einzigartiges Verkaufsargument“ deutlich definierten und damit einen „Nischenmarkt herausarbeiten“, so die Marktforscher.

Vielleicht entwickelt sich die organische Solarzellentechnologie ähnlich wie jene der 3D-Drucker: Waren sie anfangs zu teuer für den Hausgebrauch, gibt es mittlerweile erste Modelle mit moderatem Preis als Spielzeug für zu Hause auf dem Markt. Wer weiß: Eines Tages muss man womöglich nur noch die Tintenpatronen auswechseln – und schon ließe sich die eigene Solarzelle je nach individuellem Bedarf am heimischen Schreibtisch herstellen. 

Strom wie gedruckt. Das wäre eine ganz persönliche Energiewende.

Haltestelle in die Zukunft: Für gedruckte organische Leuchtdioden und Solarzellen gibt es viele Einsatzmöglichkeiten – wie das Modell eines interaktiven Bus-Wartehäuschens zeigt. (Fraunhofer IAP / Till Budde)