Ziel der Entwicklung

Logo: Elektrochrome Zelle - zwischen zwei Farbzuständen reversibel schaltbar, © Gulnara Konkin – TITK e. V.
Elektrochrome Zelle - zwischen zwei Farbzuständen reversibel schaltbar, © Gulnara Konkin – TITK e. V.

Das Ziel dieses FuE-Projektes bestand darin ITO-freie, elektrisch leitfähige und optisch transparente dünne Schichten auf transparentem Folienmaterial herzustellen. Die Beschichtungsmittel sollten aus organischen leitfähigen Materialien und/oder organisch-anorganischen Materialgemischen bestehen. Dabei war die Balance zwischen der Bewahrung der optischen Transparenz der Folien (Polyester) und der Erhaltung der elektrischen Leitfähigkeit der eingesetzten Beschichtungsmedien zu finden. Als Auftragstechnologie sollte die Nassbeschichtung unter Nutzung des Rolle zu Rolle Verfahrens (R2R) mit Schlitz-Düse („slot die coating“) zur Anwendung kommen. Es war angestrebt, Trockenschichtdicken für die Funktionsbeschichtung im Nanometer-Bereich zu realisieren. Die elektrische Leitfähigkeit der so generierten transparenten leitenden (TC) Schichten sollte im besten Falle für einen ITO-Ersatz geeignet sein, um somit als Basis für transparente Elektroden zur Herstellung von beispielsweise organischen Leuchtdioden (OLED), organischen Photovoltaik (OPV) -Modulen oder Touchscreens dienen zu können.

Vorteile und Lösungen

Als technisch wichtige Funktionsmaterialien zur Generierung transparenter, elektrisch leitfähiger Schichten auf verschiedensten Substraten gelten neben Indiumzinnoxid (ITO) und anderen TCOs auch Polyethylendioxythiophen (PEDOT) und Polyanilin. Der Einsatz dieser neuen Substanzen und daraus hergestellter optimierter Materialien mit spezifischen Eigenschaftsprofilen anstelle von ITO machen ein nachhaltiges sowie Energie- und Ressourcen- schonendes Wirtschaften möglich. Je nach erreichbarer Leitfähigkeit und Transparenz kommt ein Einsatz für die Antistatikausrüstung bis hin zu Basiskomponenten für Solarzellen, OLEDs oder andere Produkte aus dem Bereich der Elektronik in Frage.
Dem wirtschaftlichen Trend folgend wurde eine alternative Lösung gefunden, um kostenintensive Materialien (ITO) und energieaufwendige Verfahren (PVD/ CVD) abzulösen oder zumindest an einigen Stellen zu ersetzen. Mit neuen Materialgemischen für die Nassbeschichtung konnte eine Technologie zur Herstellung von leitfähig funktionalisierten Folien für den Einsatz in flexiblen Modulen mit transparenten leitfähigen Komponenten entwickelt werden.
Das vorherrschende Vermarktungsmodell für konventionelle Silizium- oder anorganische Dünnschicht-Solarzellen ist die Installation solcher Module auf Dächern, um Strom für den Eigenbedarf oder zur Einspeisung in das Stromnetz zu erzeugen. Im Gegensatz dazu sind die OPV-Module als die kostengünstigeren Energiequellen, insbesondere für den dezentralen Betrieb von z. B. Telecommunikationsgeräten, Unterhaltungselektronik, Lampen, Ladegeräten oder auch für Spielzeuge vorgesehen. Geringe Herstellungskosten fallen hier mehr als hohe Effizienzen oder Langzeitstabilitäten ins Gewicht.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die leitfähigen Materialien, die im Rahmen der Projektarbeiten entwickelt wurden, bringen nicht nur durch ihre Anwendung als leitende transparente Elektrode einen wirtschaftlichen Nutzen. Sie haben auch deutliche Vorteile bei ihrer Verarbeitung zu Nanometer-dünnen Schichten. Die Nassbeschichtung mittels Rolle zu Rolle Verfahren (R2R) ermöglicht hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten, die in der industriellen Herstellung gefordert sind und eine Fertigung im großen Maßstab effizient machen. Niedrigere Maschinenbaukosten, eine positive Energiebilanz und eine geringer Temperaturbelastung bei der Beschichtung wärmeempfindlicher Materialien sind weitere Vorteile, die die im Projekt entwickelte Technologie bieten kann.
Einige der damit hergestellten nassbeschichteten Folien wurden verwendet, um ITOfreie Polymersolarzellen mit einem beachtlichen Wirkungsgrad von 1,25 % aufzubauen. Es hat sich dabei gezeigt, dass noch Forschungsbedarf besteht, was die Stabilität der Schichten und damit die Qualität der daraus hergestellten Bauelemente betrifft. Das gilt analog auch für ein zweites, im Rahmen dieses Projektes erprobten Funktionsmodells. Bei einer auf dieser Basis generierten elektrochromen Zelle wurden 50% der notwendigen ITO-Bestandteile mit den im Projekt entwickelten Folienmaterialien ersetzt und ein deutlicher, reversibel schaltbarer Farbkontrast von farblos nach blau erreicht.