DE10326547A1 - Tandemsolarzelle mit einer gemeinsamen organischen Elektrode - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten. Derartige Solarzellen oder photovoltaische Elemente heißen auch Tandemsolarzellen oder photovoltaische Multizellen. Im Wesentlichen stellen Tandemsolarzellen eine optische und elektrische Reihenschaltung zweier photoaktiver Schichten dar. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere organische Tandemsolarzellen, die erfindungsgemäß zumindest eine, zwischen zwei photovoltaisch aktiven Schichten angeordnete, "gemeinsame" Elektrode umfasst ist, die Wesentlichen aus organischem Material ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten. Derartige Solarzellen oder Photovoltaische Elemente heißen auch Tandemsolarzellen oder Photovoltaische Multizellen. Im Wesentlichen stellen Tandemsolarzellen eine optische und elektrische Reihenschaltung zweier photoaktiver Schichten dar. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere organische Tandemsolarzellen.
- Tandemsolarzellen als solche sind im Wesentlichen bekannt. Tandemsolarzellen stellen im Wesentlichen eine serielle Verschaltung von zwei (Halb-)Solarzellen dar. Die hier beschriebenen Tandemsolarzellen stellen eine mechanische, optische und elektrische serielle Verbindung von zwei Solarzellen dar. Dies führt zu einer erhöhten Leerlaufspannung, da sich die einzelnen Spannungen der (Halb-) Solarzellen addieren. Tandemsolarzellen weisen eine Besonderheit, nämlich eine gemeinsame Elektrode zwischen den beiden Solarzellen auf, an der die beiden Arten von Ladungsträgern der einen und der anderen Solarzelle rekombinieren. Wird diese Elektrode durch eine metallische Schicht bereitgestellt, kann das Licht an der metallischen Schicht reflektiert werden, was zu Reflexionsverlusten, und damit zu einem Leistungsverlust in der zweiten Zelle führt.
- Derartige Tandem-Photovoltaikvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 693 30 835 T2 bekannt. DieDE 693 30 835 T2 beschränkt sich in ihrer Offenbarung jedoch lediglich auf p- und n-dotiertes Halbleitermaterial und offenbart keinerlei organische Photovoltaikvorrichtungen. - Eine Möglichkeit, die gemeinsame Elektrode anders zu gestalten, um die Reflexionsverluste zu verringern, ist in dem Artikel „High photovoltage multiple-heterojunction organic solar cells incorporating interfacial metallic nanoclusters", der Applied Physics Lettes, volume 80, number 9, pages 1667-1669 March 4, 2002 angegeben.
- Wie der Titel des Artikels andeutet, wird vorgeschlagen, die gemeinsame Elektrode, die herkömmlicherweise als eine durchgehende metallische Schicht ausgeführt ist, durch einzelne verteilte metallische Nanocluster zu ersetzten. Das heißt, dieser Artikel basiert auf der Grundidee darauf, eine vollflächig leitende Elektrode durch einzelne im Wesentlichen punktförmige leitende Übergänge zu ersetzten. Diese Idee scheint eine Weiterentwicklung der gitterförmigen Elektroden zu sein, wie sie bei der dem Lichteinfall zugewandten Seite von herkömmlichen Solarzellen verwendet werden. Da die gemeinsame Elektrode die Ladungen nicht ableiten, sondern nur zu der nächsten Schicht leiten muss, ist eine Verteilung von im Wesentlichen punktförmigen Leitern eine Lösung mit dem für metallische Elektroden geringsten Reflexionsindex.
- Es sind jedoch anscheinend keine Lösungen bekannt, den Reflexionsindex auf andere Art bedeutend zu verringern.
- Es ist daher eine Tandemsolarzelle wünschenswert, bei der die durch den Reflexionsindex der gemeinsamen Elektrode bedingten Verluste verringert sind.
- Es ist weiterhin wünschenswert, die Herstellung von Tandemsolarzellen zu beschleunigen, zu vereinfachen und zu verbilligen.
- Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Photovoltaische Tandemzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten, zwei äußeren Elektroden und mindestens einer gemeinsamen Elektrode, die zwei photoaktive Schichten miteinander verbindet, bereit, die durch mindestens eine gemeinsame Elektrode aus einem Material, das aus Lösung verarbeitbar ist, gekennzeichnet ist.
- Ein Material, das aus Lösung prozessierbar, also verarbeitbar ist, lässt sich kostengünstiger applizieren als ein Material, das beispielsweise aus der Gasphase abgeschieden werden muss.
- Das Material, das aus Lösung verarbeitbar ist, ist vorzugsweise ein organisches Material. Zusätzlich ist es elektrisch leitfähig aufgrund seiner eigenen chemischen Struktur oder seines Aufbaus bzw. seiner Dotierung. Das Material nimmt beispielsweise Elektronen vom Fulleren und/oder Löcher vom Polymer auf. Dies geht am besten mit Metallen, auch mit hoch dotierten Halbleitern mit kleinem Bandgap, mit dotierten Halblietern mit etwas größerem Bandgap ... usw. Die nötige Semitransparenz erreicht man zudem, in dem man diese Schichten sehr sehr dünn macht.
- Die Bezeichnung „äußere Elektrode" bezieht sich auf die Lage zu den photoaktiven Schichten und nicht auf die gesamte Tandemsolarzelle. Bei einer Solarzelle, die auf einem nichtleitenden Substrat aufgebracht ist, kann die „äußere Elektrode" auch zwischen den photoaktiven Schichten der Solarzelle und dem Substrat liegen.
- Die Anzahl der photoaktiven Schichten in der Tandemzelle ist beliebig, da sich die Erfindung im Prinzip auf eine Tandemzelle aus beliebig vielen Einzelzellen anwenden lässt. Es ist klar, dass die jeweils verfügbaren Bandlücken der einzelnen photoaktiven Schichten und die spektrale Verteilung des eingestrahlten Lichts zusammen mit den jeweiligen Absorptionsraten Tandemzellen aus sehr vielen einzelnen Schichten nicht praktikabel erscheinen lassen.
- Eine weitere Anforderung, die an die gemeinsame Elektrode gestellt wird, besteht darin, dass die elektrischen Eigenschaften der Elektrode so gestaltet sind, dass die Rekombination von positiven Ladungen mit negativen Ladungen bevorzugt an bzw. in der Elektrode stattfindet.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das leitfähige organische Material der gemeinsamen Elektrode ein Polymer, insbesondere PEDOT, PANI und/oder Derivate und/oder Mischungen davon. PEDOT (Poly-3,4-ethylendioxythiophen) ist ein leitendes Polymer, das auf einem heterocyclischen Thiophen basiert, das durch Dietherbrücken polymerisiert. Das PEDOT kann auch als PEDOT:PSS verwendet werden. PEDOT:PSS ist ein mit Polystyrolsulfonat dotiertes PEDOT.
- In einer Ausführungsform umfasst die photovoltaische Zelle eine Zwischenschicht mit leitfähigen Nanoteilchen (metallischer oder halbleitender Natur, z. Bsp.: CdSe, CdTe, CIS, ZnO, Ag doer Au NAnoteilchen ... usw.), die aus der Lösung verarbeitet werden können. Dabei ist es eine gut praktikable Möglichkeit, dass die Nanoteilchen in eine Polymermatrix eingearbeitet werden, damit sie aus Lösung prozessierbar sind.
- In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das leitfähige organische Material der gemeinsamen Elektrode PANI (Polyanilin). PANI und PEDOT sind hier in der Funktion relativ gut vergleichbar.
- Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Photovoltaische Zelle eine organische Photovoltaische Zelle. Die semi-transparente leitfähige Schicht aus organischem Material kann jedoch auch für anorganische Tandemsolarzellen verwendet werden.
- Die vorliegende Erfindung kann auch für Photovoltaische Compound-Tandemzellen verwendet werden. Eine Photovoltaische Compound-Zelle kann beispielsweise als eine anorganische Solarzelle mit einer mittels einer erfindungsgemäßen gemeinsamen transparenten und leitenden Elektrode aus organischem Material aufgesetzten organischen Solarzelle umgesetzt werden. Die Gesamtabsorption einer solchen Compound-Zelle läßt sich beliebig steuern.
- Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaischen Tandemzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten, zwei äußeren Elektroden und mindestens einer gemeinsamen Elektrode bereit, die zwei photoaktive Schichten miteinander verbindet, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die gemeinsame Elektrode aus einem leitfähigen organischen Material zwischen die beiden photoaktiven Schichten aufgebracht wird. Die Verwendung einer leitfähigen Schicht aus einem organischen Material ermöglicht es, die Schicht aus einer Lösung aufzutragen, was im Vergleich zu den sonst üblichen vakuumprozessierten Metallschichten eine bedeutende Vereinfachung und Verbilligung darstellt. Das verwendete leitfähige semi-transparente organische Material kann auch in einem Lösungsmittel gedruckt werden, die den darunter liegenden Halbleiter nicht angreifen bzw. beschädigen oder auflösen.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der photoaktiven Schichten aus einem Lösungsmittel aufgetragen wird.
- Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Verwendung eines leitfähigen semi-transparenten organischen Materials ergibt, besteht darin, dass die Schicht aus organischem Material gegenüber Chemikalien beständig ist, aus denen die zweite Halbleiterschicht aufgetragen wird. Dadurch wird die erste Halbleiterschicht geschützt, und eine zweite Halbleiterschicht kann aus einem Lösungsmittel aufgetragen werden, das bei einer herkömmlichen Zwischenelektrode die erste Halbleiterschicht an- oder auflösen bzw. zerstören würde. Insgesamt können also die Halbleiterschichten und die Zwischenelektrode ohne Verwendung von Vakuumprozessen hergestellt werden. Dies stellt aus Sicht der Prozessführung eine bedeutende Verbesserung und eine Verbilligung der Herstellungskosten dar.
- Die leitfähige semi-transparente Schicht aus organischem Material kann auch durch einen Vakuumprozess aufgebracht werden, falls in der Fertigung die beiden angrenzenden Schichten durch einen Vakuumprozess aufgebracht werden. Dadurch kann die gesamte Fertigungsstraße für die Tandemsolarzelle unter Vakuumbedingungen gehalten werden und denn es wäre unpraktisch, diesen einen Arbeitsschritt unter einer normalen Atmosphäre auszuführen.
- Der Begriff "organisches Material" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z.B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich.
- Die leitfähige semi-transparente Schicht aus organischem Material kann beispielsweise auch ein konjugiertes Polymer sein, das nicht leitend ist, aber durch Beigabe von leitfähigen Füllstoffen leitfähig gemacht wurde. Andere Alternativen sind organische Materialien, die durch Lösungsmittel und/oder einen Vakuumprozess aufgetragen werden und die die gestellten Anforderungen an die Leitfähigkeit und die Semi-Transparenz erfüllen.
- Ein Vorteil von Tandemsolarzellen besteht darin, dass sich die spektrale Absorption der Solarzelle durch die Verwendung von zwei hintereinander geschalteten Solarzellen deutlich verbreitern lässt. Wird beispielsweise für beide Halbzellen ein Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke (erster Halbleiter: große Bandlücke mit einer Absorption im Blauen, zweiter Halbleiter: kleine Bandlücke mit einer Absorption im Roten) verwendet, so ergibt sich eine Gesamtabsorption der Zelle die im Wesentlichen eine Überlagerung der Einzel- bzw. Halbzellen darstellt.
- Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass sich dieses Prinzip auch auf mehr als 2 Halbzellen, beispielsweise auf 3, 4, oder mehr Halbzellen, ausdehnen lässt.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei
1 eine Schnittansicht durch eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. -
1 stellt einen Querschnitt durch eine Tandemsolarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Solarzelle ist auf einem Trägermaterial bzw. einem Substrat4 aufgebracht. Das Substrat4 kann aus organischem Material, beispielsweise flexiblem Material oder Folie, Glas, Kunststoff, einem Kristall oder einem ähnlichen Material bestehen. Das Substrat4 ist mit einer Bruchlinie6 dargestellt, um zu zeigen, dass die Dicke des Substrats4 für die vorliegende Erfindung unerheblich ist und variieren kann. Das Substrat dient lediglich dazu, der Solarzelle eine entsprechende mechanische Festigkeit und eventuell einen Oberflächenschutz zur Verfügung zu stellen. Das Substrat ist auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite mit einer Antireflexbeschichtung2 (bzw. Vergütung) versehen, um Verluste durch Reflexion zu verringern bzw. zu vermeiden. - Die erste Schicht
8 auf dem Substrat stellt eine Elektrode8 der Solarzelle dar. Es ist für die Erfindung im Wesentlichen nicht erheblich, ob die Elektrode eine Kathode oder eine Anode ist. - Ohne Beschränkung sei angenommen, dass das Licht von unten durch das Substrat
4 in die dargestellte Solarzelle eintritt. Die erste Elektrode8 sollte daher beispielsweise aus Al, CU, ..., ITO (Indium-Zinn-Oxid) oder dergleichen bestehen. Es ist zu beachten, dass die dem Lichteinfall zugewandte Elektrode (hier die Elektrode8 ) vorzugsweise durchsichtig bzw. semitransparent ist und/oder eine Gitterstruktur aufweist. Die Elektrode8 kann auch gemäß dem Stand der Technik mehrschichtig aufgebaut sein. - Es sei zur Einfachheit angenommen, dass die auf dem Substrat
4 angeordnete Elektrode8 eine Kathode ist. - Die Elektrode
8 wird von einer ersten aktiven Schicht10 überzogen. Die Zusammensetzung der aktiven Schicht10 ist für die vorliegende Erfindung im Wesentlichen nicht wichtig. Aktive Schichten weisen üblicherweise einen Bereich mit Elektronendonatoren14 und einen Bereich mit Elektronenakzeptoren12 auf, die beide über eine Verarmungsschicht miteinander verbunden sind. Die in der aktiven Schicht durch Lichteinfall erzeugten Ladungsträger (Elektronen-Loch-Paare) werden jeweils getrennt in die angrenzenden Schichten abgesaugt. - Die erste aktive Schicht kann sich beispielsweise aus einem klassischen monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Halbleiter mit einem pn-Übergang zusammensetzen. Die vorliegende Erfindung lässt sich jedoch ganz besonders vorteilhaft in organischen Solarzellen beispielsweise mit P3HT/PBCM, CuPc/PTCBI, ZNPC/C60 bzw. einer konjugierten Polymer-Komponente und einer Fulleren-Komponente einsetzen.
- Bei der dargestellten Solarzelle ist die zu dem Substrat weisende Seite
12 der aktiven Schicht10 dem Elektronen akzeptor und die dem Substrat abgewandte Seite14 dem Elektronendonator zugeordnet. - Über der ersten aktiven Schicht
10 ist auf der Seite der Elektronendonatoren14 eine gemeinsame organische Elektrode16 , beispielsweise aus einem semi-transparenten leitfähigen Polymer, angeordnet. - Die weiteren Eigenschaften der gemeinsamen Elektrode
16 wie Dicke und Brechungsindex können so gewählt sein, dass die gemeinsame Elektrode16 eine Reflexionsschicht zwischen der ersten aktiven Schicht10 und der darauf folgenden zweiten aktiven Schicht18 bildet. Wenn die Reflexionseigenschaften der Elektrode auf eine unterschiedliche spektrale Absorption der beiden aktiven Schichten abgestimmt werden können, lässt sich die Gesamtabsorption weiter positiv beeinflussen. Wird beispielsweise für beide Halbzellen Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke (erster Halbleiter: große Bandlücke mit einer Absorption im Blauen, zweiter Halbleiter: kleine Bandlücke mit einer Absorption im Roten) verwendet, so kann die Dicke der semi-transparenten Elektrode so eingestellt werden, dass ein kurzwelliger Lichtanteil zurück zu der ersten photoaktiven Schicht reflektiert wird, während ein langwelliger Anteil durch die Elektrode zu der zweiten photoaktiven Schicht mit der langwelligeren Absorption gelangen kann. Die Gesamtabsorption kann auch durch unterschiedlich dicke photoaktive Schichten beeinflusst werden. - Nach der semi-transparenten Elektrode
16 folgt die zweite photoaktive Schicht18 . Die Zusammensetzung der zweiten aktiven Schicht18 ist ebenfalls für die vorliegende Erfindung im Wesentlichen nicht erheblich. Die zweite aktive Schicht weist ebenfalls einen Bereich mit Elektronendonatoren22 und einen Bereich mit Elektronenakzeptoren20 auf, die beide über eine Verarmungsschicht miteinander verbunden sind. Die in der aktiven Schicht durch Lichteinfall erzeugten Ladungsträger (Elektronen-Loch-Paare) werden jeweils getrennt in die angrenzenden Schichten abgesaugt. - Die zweite aktive Schicht kann sich beispielsweise ebenfalls aus einem klassischen monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Halbleiter mit einem pn-Übergang zusammensetzen. Die vorliegende Erfindung lässt sich jedoch ganz besonders vorteilhaft in organischen Solarzellen beispielsweise mit P3HT/PBCM, CuPc/PTCBI, ZNPC/C60 bzw. einer konjugierten Polymer-Komponente und einer Fulleren-Komponente einsetzen. Selbstverständlich können auch Kombinationen von herkömmlichen Halbleitermaterialien mit organischen Halbleitern kombiniert werden.
- Die zweite photoaktive Schicht wird wiederum von einer Außen- oder Anschluss-Elektrode überzogen. In dem gegebenen Beispiel ist die Elektrode
24 eine Anode. Das Elektrodenmaterial der Anode kann in der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise aus Ag, Au, Al, CU, ... ITO oder dergleichen umfassen. Da die Anode in dem vorliegenden Beispiel dem Lichteinfall abgewandt ist, unterliegt sie keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Dicke, der Transparenz oder irgendwelcher anderen Beschränkungen. Die Anode kann des Weiteren noch von einer (nicht gezeigten) Schutzschicht beispielsweise einem Lack überzogen sein. - Die gewellten Pfeile
26 deuten die Richtung des Lichteinfalls an. - Selbstverständlich kann die Solarzelle auch umgekehrt auf einem beispielsweise undurchsichtigen Substrat
4 , oder direkt auf einer herkömmlichen kristallinen Solarzelle aufgebaut werden, wobei das Licht dann von oben einfallen kann. Ein solcher „inverser" Aufbau bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die dem Lichteinfall zugewandten Strukturen und Schichten den Umwelteinflüssen wie Luftsauerstoff, Staub und dergleichen ausgesetzt sind, was die Solarzelle schnell beschädigen oder unbrauchbar machen kann. - Bei einem „inversen" Aufbau wäre beispielsweise die Antireflexbeschichtung
2 auf der anderen Seite der Solarzelle vorzusehen. - Die vorliegende Erfindung kann auch bei konventionellen monokristallinen oder polykristallinen Solarzellen angewendet werden. Dabei würden die Zwischenelektrode
16 wiederum zwischen den aktiven Schichten der Tandemsolarzelle angeordnet werden. - Die Zwischenelektrode
16 kann sowohl aus der Gasphase als auch aus einer Lösung abgeschieden werden, was die Verarbeitung bzw. die Erzeugung der Zwischenschichten verbilligt. - Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten. Derartige Solarzellen oder Photovoltaische Elemente heißen auch Tandemsolarzellen oder Photovoltaische Multizellen. Im Wesentlichen stellen Tandemsolarzellen eine optische und elektrische Reihenschaltung zweier photoaktiver Schichten dar. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere organische Tandemsolarzellen, die erfindungsgemäß zumindest eine, zwischen zwei photovoltaisch aktiven Schichten angeordnete, "gemeinsame" Elektrode umfasst ist, die im wesentlichen aus organischem Material ist.
Claims (11)
- Photovoltaische Tandemzelle mit mindestens zwei photoaktiven Schichten, zwei äußeren Elektroden und mindestens einer gemeinsamen Elektrode, die zwischen jeweils zwei benachbarten photoaktiven Schichten angeordnet ist und diese elektrisch und mechanisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine gemeinsame Elektrode aus einem Material ist, das als Lösung aufgebracht wird.
- Photovoltaische Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das aus Lösung aufgebracht ist, im wesentlichen ein organisches Material ist.
- Photovoltaische Zelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material der gemeinsamen Elektrode PEDOT umfasst.
- Photovoltaische Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet, dass das organische Material der gemeinsamen Elektrode PANI umfasst.
- Photovoltaische Zelle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht leitfähige Nanoteilchen umfasst, die aus der Lösung verarbeitbar sind.
- Photovoltaische Zelle gemäß einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht leitfähigen Nanoteilchen, die in eine Polymermatrix eingemischt sind, so dass Sie aus der Lösung verarbeitbar sind.
- Photovoltaische Zelle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaische Zelle eine organische Photovoltaische Zelle ist.
- Photovoltaische Zelle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material semi-transparent ist.
- Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaischen Tandemzelle mit zwei äußeren Elektroden, mindestens zwei photoaktiven Schichten, wobei zwischen je zwei benachbarten photoaktiven Schichten eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist, die diese mechanisch und elektrisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine gemeinsame Elektrode aus einem leitfähigen organischen Material auf eine der mindestens zwei photoaktiven Schichten aufgebracht wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode aus einem leitfähigen semi-transparenten organischen Material aus einem Lösungsmittel aufgebracht wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der photoaktiven Schichten aus einem Lösungsmittel aufgetragen wird.
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