Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Die InnoProfile-Initiative möchte grundlegende Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung organischer p-i-n-Bauelemente vorantreiben. Mit Hilfe der organischen Elektronik lassen sich großflächige, flexible, transparente, sehr dünne und äußerst energieeffiziente Produkte (z. B. Solarzellen, Leuchtdisplays) realisieren. Die Bauelemente können mit extrem geringem Material- und Energieeinsatz und deshalb sehr preisgünstig gefertigt werden, da die benötigten Schichtdicken im Nanometerbereich liegen und außerdem etablierte Produktionsverfahren genutzt werden können.

Allerdings besteht ein Kernproblem bei der Entwicklung darin, dass sehr viele verschiedene organische Materialien in einem Bauelement verwendet werden, die hinsichtlich Materialeigenschaften, Prozessierbarkeit und Langzeitstabilität aufeinander abgestimmt sein müssen. Besonders der Einbau von neuen Materialien erfordert jedes Mal grundlegende Forschungsarbeiten, um zu klären, ob keine unerwünschten Nebeneffekte durch die neuen Materialkombinationen entstehen.
 

Die Ziele

Die molekulare Dotierung organischer Halbleiter bildet in der Region als Kerntechnologie die Basis für rasante Fortschritte bei der Entwicklung von organischen Bauelementen und den wirtschaftlichen Erfolg bei den auf diesem Gebiet arbeitenden Firmen. Inzwischen deckt die Region die komplette Wertschöpfungskette von den Grundlagenuntersuchungen bis hin zur Produktentwicklung ab.

Im Bereich der OLED-Displays wird die Dresdner Dotierungstechnologie kommerziell eingesetzt, das daraus resultierende Marktvolumen beträgt weltweit schon mehreren Mrd. € pro Jahr. Ziel des marktorientierten Verbundvorhabens ist die weitere Stärkung dieser Position durch die innovative Weiterentwicklung kostengünstig herstellbarer, effizienter und langlebiger organischer p-i-n Bauelemente.

Die fünf Projektpartner streben gemeinsam den systematischen Ausbau ihres vorhandenen Kompetenzprofils an. Die erzielten Forschungsergebnisse sollen zeitnah durch die beteiligten Unternehmenspartner umgesetzt werden und deren Wettbewerbsfähigkeit in einem aufstrebenden Markt nachhaltig stärken.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Um mit organischen Bauelementen eine nachhaltige Marktdurchdringung zu erreichen, müssen die wesentlichen Erfolgsfaktoren Bauteileffizienz, Kosten und Lebensdauer verbessert sowie die Alleinstellungsmerkmale gegenüber herkömmlichen Technologien, insbesondere Transparenz und Flexibilität, gestärkt werden. Jeder dieser für die Durchsetzung organischer Elektronik wesentlichen Punkte wird in dem Projekt untersucht.

Entwicklung neuer organischer Materialien zum Ladungsträgertransport

Ziel des Projekts im Bereich der Materialentwicklung ist es, mit verbesserten Substanzen durch besseren Ladungsträgertransport in organischen Bauteilen höhere Effizienzen zu erreichen. Die bisherige empirische Heransgehensweise stößt an seine Grenzen; um signifikante Fortschritte zu erhalten, müssen zuerst grundlegende Prozesse des Ladungsträgertransports und die Morphologie organischer Schichtstapel besser verstanden werden. Die experimentellen Untersuchungen werden von quantenchemischen Rechnungen sowie von Simulationen der komplexen optischen und elektrischen Vorgänge in den Schichtstapeln begleitet. Mit den Ergebnissen sollen neue Dotanden und Transportmaterialien gefunden werden sowie das gewonnene Wissen in Form geeigneter physikalischer Modelle in die benutzte Simulationssoftware implementiert werden.

Entwicklung und Strukturierung transparenter Kontaktsysteme

Hier sollen neue Ansätze für Top-Elektroden untersucht und optimiert werden, mit denen sich halbtransparente Solarzellen und -module realisieren lassen. Diesem Marktsegment wird ein großes Wachstum vorausgesagt und kaum eine andere Solarzellentechnologie kann es so gut bedienen wie organische Solarzellen. Dafür werden aber extrem hohe Anforderungen an die Elektroden und die Strukturierungsprozesse, die für die Verschaltung von Solarzellen in Solarmodule notwendig sind, gestellt. Daher werden verschiedene Elektroden-Konzepte untersucht, die neben hoher Transparenz und Leitfähigkeit, Flexibilität, Stabilität und geringen Kosten immer auch über die angestrebte Laserstrukturierung präzise und schnell strukturierbar sind.

Eine der zahlreichen Herausforderungen bei der Laserstrukturierung der Elektrode ist, dass durch den Abtrag kein Aufwurf gebildet wird und dass abgetragenes Material keine Rückstände auf der Schicht zurück lässt, wodurch nachfolgende Prozesse und damit die Leistungsfähigkeit der Solarzelle beeinträchtigt werden könnten. Im Projekt werden Solarzellen mit einer Transparenz von 40% und einem Wirkungsgrad von 7% angestrebt.

Entwicklung einer adäquaten Folienverkapselung für organische Solarzellen

Die Lebensdauer organischer Bauelemente wird neben der intrinsischen Stabilität der organischen Materialien maßgeblich durch die Verkapselung bestimmt. Für starre Bauelemente genügt eine Glas-Glas-Verkapselung. Da aber niedrige Herstellungskosten und ein größerer Markt nur durch eine Rolle-zu-Rolle-Fertigung und über flexible organische Bauelemente erreicht werden können, ist ein weiteres Ziel dieses Projekts die Entwicklung einer zuverlässigen Verkapselungstechnologie auf Folie.

Dazu sind umfangreiche Experimente und Lebensdauerstudien mit unterschiedlichen Folien und Klebern und entsprechenden Prozessen notwendig, um geeignete sowie zuverlässige Verkapselungsmethoden und -technologien zu identifizieren. Darüber hinaus müssen die organischen Schichtstapel optimiert werden, da das komplette System von Substrat bis zur Verkapselung sehr genau aufeinander abgestimmt sein muss.
 

Die Partner

Zur Realisierung des Projekts haben sich fünf regionale Partner (eine Universität, vier KMUs) aus dem in Dresden und Umgebung wachsenden Cluster zur Organischen Elektronik (Organic Electronics Saxony) zusammengeschlossen:
  

• Die 3D-Micromac AG entwickelt und produziert innovative Maschinen für die Lasermikrobearbeitung, u.a. für Mikrobohren, -schneiden sowie für die 2D- und 3D-Strukturierung, sowohl für den industriellen Einsatz als auch für Forschungszwecke.
• Die Novaled AG ist Weltmarktführer u.a. bei der Entwicklung und Herstellung von Chemikalien für die OLED-Herstellung. Das 2001 aus dem IAPP ausgegründete Unternehmen beschäftigt inzwischen ca. 130 Mitarbeiter, ein Verkauf an die südkoreanische Firma Samsung ist geplant.
• Die 2006 als IAPP-Ausgründung entstandene Heliatek GmbH ist Spezialist für die Entwicklung und Herstellung organischer Solarzellen. Auf Basis der p-i-n-Technologie und der Tandemarchitektur erreichte das Unternehmen mehrere Effizienzweltrekorde.
• Die sim4tec GmbH betreibt Entwicklung und Vermarktung von OLED-Simulationssoftware. Das Unternehmen arbeitet eng mit den Technologieführern zusammen und beschleunigt so die Innovationszyklen im Bereich organischer LED.
• Das IAPP der Technischen Universität Dresden nimmt eine zentrale Position im regionalen Organik-Cluster ein. Bis auf 3D-Micromac sind alle Partner Ausgründungen des IAPP. Hier wurde die dem Projekt zugrunde liegende p-i-n-Technologie erfolgreich von anorganischen Anwendungen auf organische übertragen.

Kontakt

Prof. Dr. Karl Leo
Technische Universität Dresden
Institut für angewandte Photophysik (IAPP)
George-Bähr-Straße1
01069 Dresden
Tel.: 0351 463-37533
E-Mail: karl.leo[at]iapp.de


Zum Beitrag "Flexible und günstige Sonnenlichtsammler" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"


Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt finden Sie hier. Weitere Informationen zur ebenfalls aus dieser InnoProfile-Initiative hervorgegangenen InnoProfile-Transfer-Stiftungsprofessur "Organische p-i-n Bauelemente" finden Sie hier.