Durchbruch für preiswerte, organische LED-Paneele und flexible Solarzellen

In einem dreijährigen Projekt gelang es einem europäischen Forscherteam, die Beleuchtungstechnik der nächsten Generation marktreif zu machen. Sie entwickelten biegsame, leuchtende Module, die wie eine Zeitung im Roll-to-Roll-Verfahren gedruckt werden können. Diese Technik legt den Grundstein für kostengünstige Solarzellen und LED-Leuchtflächen der Zukunft. Das Projekt mit dem Namen TREASORES vereinte das Knowhow von neun Firmen und sechs Forschungsinstituten aus fünf europäischen Ländern. Koordiniert wurde es von Empa-Forscher Frank Nüesch.

Im November 2012 startete das EU Projekt TREASORES (Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) mit dem Ziel, die Produktionskosten von organischen Bauteilen wie Solarzellen und LED Paneelen spürbar zu reduzieren. Das Projekt wurde mit 9 Millionen Euro von der Europäischen Union und weiteren 6 Millionen Euro durch Eigenmittel der Partner finanziert. Es erbrachte sieben Patente, ein Dutzend wissenschaftliche Publikationen sowie massgebliche Beiträge zu internationalen Organisationen für Normung.

Flexible Elektroden und neuartige Barrierefolien
Als wichtigstes Ergebnis hat das Projekt Produktionsprozesse für verschiedene Typen transparenter Elektroden und Barrierematerialien für die nächste Generation flexibler Optoelektronik entwickelt und in einem zweiten Schritt für die Industrieproduktion hochskaliert. Drei dieser Elektroden auf flexiblen Substraten – sie basieren entweder auf Kohlenstoffnanoröhrchen, Metallfasern oder dünnen Silberschichten – werden bereits kommerziell produziert oder sollen noch dieses Jahr auf den Markt kommen. Die nächste Generation von Lichtquellen und Solarzellen soll mittels Rolle-zu-Rolle-Fabrikation hergestellt werden, wofür sich die neuen Elektroden besonders gut eignen. Eine Rolle mit OLED- Lichtquellen und Projekt-Logo wurde durch einen solchen Rolle-zu-Rolle Prozess am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik in Dresden FEP auf einer dünnen Silberelektrode hergestellt, welche im Rahmen des Projekts Projekt von der Rowo Coating GmbH entwickelt wurde.

Prof. Frank Nüesch - Empa Prof. Frank Nüesch – Empa

Flexible Lichtquellen – hübsch und preisgünstig zugleich
Solche Prozesstechnologien werden in Zukunft die Preise für Lichtquellen und Solarzellen deutlich sinken lassen, benötigen jedoch flexible und transparente Elektroden und wasserdichte Barrieren, welche ebenfalls im Rahmen des TREASORES Projekts entwickelt wurden. Die Projektelektroden sind bereits jetzt ebenso leistungsfähig und transparent wie Elektroden der aktuellen Technologie (basierend auf Indium dotiertem Zinnoxid, ITO), teilweise sind sie diesen Elektroden sogar überlegen. Sie können jedoch kostengünstiger produziert werden und beruhen nicht auf dem Import von seltener werdendem Indium.
Tomasz Wanski vom Fraunhofer FEP bestätigt, dass mit den neuen Elektroden äusserst homogene Lichtquellen auch auf grösseren Flächen mit einer Effizienz von 25 Lumen pro Watt erreicht wurden – ebenso gut wie äquivalenten Bauteile der bisherigen OLED-Technologie, die mit einem langsameren Produktionsprozess auf einzelnen Folien hergestellt werden. Im Laufe des Projektes wurden am National Physical Laboratory in Grossbritannien auch neue Testmethoden für die Biegefestigkeit von Elektroden entwickelt – dieser Test könnte auf diesem Gebiet zu einer neuen Norm führen.

Spezialfolien schützen die Elektronik vor Sauerstoff
Ein weiterer Erfolg des Projektes war die Herstellung, das Testen und die Hochskalierung der Produktion von neuen, transparenten Barrierefolien – gemeint sind Kunsstofffolien, welche verhindern, dass Sauerstoff und Wasserdampf in die organischen Bauteile eindringen und diese zerstören. Es gelang, effiziente und kostengünstige Barrieren zu produzieren, die voraussichtlich von der Schweizer Firma Amcor Flexibles Kreuzlingen weiterentwickelt und vermarktet werden können. Solche nicht permeable Barrieren sind essenziell, um die für einen kommerziellen Erfolg benötigte lange Lebensdauer organischer Solarzellen und Lichtquellen zu erreichen.

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Flexible Elektroden aus leitfähigem Textil wurden im Rahmen des Projekts in einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt. Die so produzierten Elektroden sind im Bereich des sichtbaren Lichts und im nahen Infrarot optisch sehr durchlässig und zeichnen sich durch geringen elektrischen Widerstand aus. (Bild: Sefar AG)

Wie mit einer im Projekt durchgeführten Lebenszyklenanalyse (LCA) bestätigt wurde, sind Solarzellen nur dann kommerziell und ökologisch sinnvoll, wenn sowohl die Effizienz wie auch die Lebensdauer ausreichend hoch sind. Indem man die Produktion von Barrieren und Elektroden kombiniert, anstatt dafür zwei separate Kunststoffsubstrate zu verwenden, können die Produktionskosten weiter reduziert und die Bauteile dünner und flexibler gestaltet werden.Optoelektronische Bauteile besitzen aktive Schichten von lediglich ein paar hundert Nanometern – weniger als 1 Prozent des Durchmessers eines menschlichen Haares – und bereits kleine Oberflächendefekte oder unsichtbare Staubpartikel können die Bauteileffizienz erniedrigen oder zu inhomogener Leuchtfläche und kurzer Lebensdauer führen.

Knowhow von 15 Partnern aus fünf europäischen Nationen
Das TREASORES Projekt vereinigte das Knowhow von neun Firmen und sechs Technologieinstituten aus fünf Ländern und wurde von Frank Nüesch von der Eidgenössischen Materialprüfungs-und Forschungsanstalt (Empa) geleitet. „Ich freue mich darauf, noch in diesem Jahr die ersten kommerziellen Produkte aus dem Projekt auf dem Markt zu sehen“, sagt Nüesch.
Michael Niggemann, CTO des Solarzellenherstellers Eight19 in Cambridge ist ebenfalls begeistert: „Das TREASORES Projekt war ein Erfolg für Eight19, da es wichtige Beiträge zur Senkung der Produktionskosten unserer Solarzellen lieferte. Wir haben damit einen entscheidenden Schritt hin zur Kommerzialisierung von organischen Solarzellen geschafft –basierend auf einer Technologie, die in Europa entwickelt wurde.“

Das Forschungsprojekt wurde finanziell durch das siebte Rahmenprogramm der Europäischen Union, Vertragsnummer 314068, unterstützt.

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