Gedruckte Elektronik – Von der Idee zur Serienproduktion

Eine Pilotanlage für die kundenspezifische Entwicklung gedruckter Elektronik im industrienahen Maßstab stellt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm auf der Münchner Fachmesse für gedruckte Elektronik LOPEC 2016 vom 6. bis 7. April 2016 vor. Organische Solarzellen oder OLEDs werden am IAP auf Glas oder Folie mittels Tintenstrahldruck erzeugt. Auch kostengünstige Perovskit-Solarzellen mit einer derzeitigen Fläche von wenigen Quadratmillimetern werden in den industrienahen Maßstab übertragen. Deutschlandweit einmalig ist, dass alle organischen und anorganischen Schichten auf ein und derselben Anlage gedruckt werden können – das spart Zeit und Geld.

Leuchtende Folien, hauchdünne Displays, flexible Solarzellen – jenseits der klassischen Elektronik ermöglichen leitfähige, druckbare Tinten viele neue Anwendungen. Die erste Stufe der Produktentwicklung findet üblicherweise im Labor statt, das oft einer Manufaktur gleicht. Doch um Produkte erfolgreich in den Markt zu bekommen, müssen sowohl die verwendeten Materialien als auch die Fertigungsprozesse industrietauglich sein.

Überführung in den industrienahen Maßstab
»Mit der Pilotanlage bieten wir Firmen die Möglichkeit, neue Ideen in kommerzielle Produkte zu überführen«, erklärt Dr. Armin Wedel, Leiter des Forschungsbereichs Funktionale Polymersysteme am Fraunhofer IAP. Auf der Fertigungsanlage können nicht nur organische Leuchtdioden (OLED) sondern auch Solarzellen oder Sensoren entwickelt und in den industrienahen Maßstab gebracht werden. Das spezielle Knowhow besteht einerseits darin, druckbare Materialien zu entwickeln, die in extrem gleichmäßigen und dünnen Schichten gedruckt werden können. Andererseits liegt die Herausforderung darin, Bauteile ohne einen Verlust der Performance – z. B. Lebensdauer oder Effizienz – in einen großen Maßstab zu übertragen. Gelingt dies, lassen sich größere Musterserien realisieren.

Upscaling von kostengünstigen Solarzellen aus Perovskit
Nicht nur organische Materialien können auf der Potsdamer Pilotanlage gedruckt werden: »Unsere langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik übertragen wir derzeit auf Perovskit-Solarzellen, den Hoffnungsträger der Solarbranche«, so Wedel. Erst vor wenigen Jahren wurden Perovskit-Materialien für den Aufbau von Solarzellen entdeckt. Diese sind erheblich günstiger als die bisher verwendeten Siliziumsolarzellen. Es scheint, als sei mit Perovskit bereits jetzt ein Durchbruch bei der Erzeugung von preiswertem, grünen Strom aus Sonnenlicht gelungen. Bisher sind diese Solarzellen jedoch nur wenige Quadratmillimeter groß. Am Fraunhofer IAP werden sie im Rahmen des kürzlich gestarteten EU-Projektes CHEOPS auf eine Fläche von 15 cm x 15 cm aufskaliert. Das ist nicht trivial, denn der Strom, der in jedem Punkt der Solarzelle entsteht, muss über die Elektroden bis an den Rand des Moduls geführt werden. Bei so einer großen Fläche kann es dabei zu hohen Stromverlusten kommen. Um Ineffizienzen entgegenzuwirken, drucken die Forscher vor der stromerzeugenden Schicht speziell entwickelte Gitterstrukturen auf. Neben der geringen Fläche haben Perovskit-Solarzellen ein weiteres Defizit: sie sind nur sehr kurzlebig. »Die Erhöhung der Lebensdauer möchten wir durch Verkapselungsverfahren erreichen. Auch hier profitieren wir von unserem umfangreichen Wissen aus der OLED-Technologie«, erklärt Wedel.

Material- und Technologieentwicklung: Organische Solarzellen, OLEDs und Quantum Dots
Neben der Pilotanlage stellen die Fraunhofer-Forscher auf der LOPEC in Halle B0 | Stand 100 ihre neusten Material- und Technologieentwicklung gedruckter Elektronik aus der Pilotanlage vor: umweltfreundliche, organische, flexible, gedruckte Solarzellen mit einer Effizienz von über 3 Prozent, wasserlösliche und cadmiumfreie Quantum Dots sowie OLEDs für die Displayindustrie.

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Foto: In der Pilotanlage für gedruckte Elektronik des Fraunhofer IAP sollen künftig auch kostengünstige Solarzellen aus Perovskit im industrienahen Maßstab gedruckt werden. © Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Das Fraunhofer IAP in Potsdam-Golm ist spezialisiert auf Erforschung und Entwicklung von Polymeranwendungen. Es unterstützt Unternehmen und Partner bei der maßgeschneiderten Entwicklung und Optimierung von innovativen und nachhaltigen Materialien, Prozesshilfsmitteln und Verfahren. Neben der umweltschonenden, wirtschaftlichen Herstellung und Verarbeitung von Polymeren im Labor- und Pilotanlagenmaßstab bietet das Institut auch die Charakterisierung von Polymeren an. Synthetische Polymere auf Erdölbasis stehen ebenso im Fokus der Arbeiten wie Biopolymere, Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen und chemisch, physikalisch oder biologisch funktionalisierte Polymere. Die Anwendungsfelder sind vielfältig: Sie reichen von Biotechnologie, Medizin, Pharmazie und Kosmetik über Elektronik und Optik bis hin zu Anwendungen in der Verpackungs-, Umwelt- und Abwassertechnik oder der Luftfahrt-, Automobil-, Papier-, Bau- und Lackindustrie. | Institutsleitung: Prof. Dr. Alexander Böker

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CHEOPS – Entwicklung kostengünstiger, hocheffizienter Perovskit-Solarzellen

CHEOPS ist ein Forschungsprojekt, das von dem Europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 mitfinanziert wird. Auf der Grundlage der so genannten Perovskit-Photovoltaik-Technologie wollen die 12 europäischen Partner aus Industrie und Wissenschaft eine neue Art von Photovoltaik-Zelle entwickeln, die sowohl kostengünstig als auch effizient ist. Das Projekt läuft von Februar 2016 bis Januar 2019.

www.cheops-project.eu