Hocheffiziente Fertigungstechnologien dienen Marktübernahme bei organischer Elektronik
Das SMARTONICS-Projekt verfolgte die Zielsetzung, den europäischen Industriesektor der organischen Elektronik und Photonik wettbewerbsfähiger zu machen, indem man den zukünftigen Marktanforderungen gerecht wird. Unter Führung der Aristoteles-Universität Thessaloniki in Griechenland bestand seine Tätigkeit in der Entwicklung von intelligenten Nanomaterialien und Präzisionsmess- und Fertigungsinstrumenten sowie deren Einbindung in drei einzigartige Pilotlinien auf Grundlage von Roll-to-Roll-Drucken (R2R; Rolle-zu-Rolle), Sheet-to-Sheet-Drucken (S2S) und organischer Gasphasenabscheidung (Organic Vapour Phase Deposition, OVPD). Laut Professor Stergios Logothetidis, dem Projektkoordinator, „konnte SMARTONICS die Pilotproduktion von organischen Photovoltaikmaterialien (organic photovoltaic, OPV) mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer realisieren.“ „Das gelang durch den Einsatz von organischen Halbleitern auf Polymerbasis, ‘Superbarriere’-Nanomaterialien zur Verkapselung und plasmonischen metallischen Nanopartikeln, die mit Laserprozessen hergestellt wurden, wodurch Größen und Verteilungen besser gesteuert werden konnten. Überdies tragen unsere Fortschritte in der Multiskalen-Computermodellierung und Simulation maßgeblich zur Optimierung der OPV- und OLED-Elementearchitektur sowie ihrer Nanoschichtmorphologie bei.“ Die vorgeführten S2S-OPV-Zellen verfügen über einen Wirkungsgrad von 8 %, die R2R-OPV-Zellen erreichen 5,3 % und vollflächig bedruckte R2R-OPV-Paneele erzielen 3,5 %. Diese organischen Photovoltaikelemente verfügen über eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren und konnten mit Erfolg in Fahrzeuganwendungen integriert werden, etwa in ein Solardach für den Fiat 500L. Aber der Beitrag der SMARTONICS-Partner geht weit über diese Nanomaterialien hinaus. In drei Jahren Arbeit schuf das Team einen einzigartigen Inline-Tintenstrahldrucker zur großtechnischen Erzeugung von OPV-Nanoschichten unter Einsatz des R2R-Prozesses, organische Gasphasenabscheidungsverfahren zur Nanofertigung von Tandem-OPV-Bauelementen auf Basis kleiner Moleküle und eine Strukturierung im Nanometermaßstab, welche die großtechnische Herstellung von OPV-Bauelementen ermöglicht, die zu großmaßstäblichen Modulen miteinander verbunden sind. Letztlich wurden neuartige optische Messinstrumente und Methoden für R2R-Druck- und OVPD-Pilotlinien entwickelt, um Qualität und Dicke von OPV-Nanomaterialien und -Bauelementen in Einzel-, Invers- und Tandemarchitekturen zu überwachen. Man geht davon aus, dass SMARTONICS erhebliche Auswirkungen auf den OE-Markt haben und die Produktion großer Mengen zu geringen Kosten ermöglichen wird. Die Herstellung von maßgeschneiderten organischen Polymerhalbleitern und plasmonischen Nanopartikeln für organische Photovoltaik (OPV), organische Leuchtdioden (OLED), OTFTs, Sensoren und funktionellen Oberflächen wird auf diese Weise realisierbar, während die „Superbarrieren“ der Forderung des Markts nach einer kostengünstigen und hocheffizienten Verkapselung von OE-Bauelementen und anderen Produkten wie Lebensmitteln und Pharmazeutika nachkommen werden. „Unsere optischen Messinstrumente werden die Qualität der OE-Bauelemente steigern, also die Prozessausbeute und den Fertigungsdurchsatz erhöhen sowie die Herstellungskosten senken“, merkt Professor Logothetidis gleichermaßen an. Neben der Fahrzeugindustrie zählen zu den möglichen Anwendungen organische Photovoltaikanlagen zur großmaßstäblichen Energiegewinnung an Gebäuden, intelligente tragbare Geräte (Smart Wearables), Anwendungen im Innenbereich sowie organische Leuchtdioden für Anzeigen und Beleuchtung. „Wir haben sehr spannende Perspektiven“, teilt Professor Logothetidis mit. „Beispielsweise sind wir bereits von potenziellen Kunden aus der EU, Japan und Südkorea kontaktiert worden, um in gemeinschaftlicher Arbeit zukunftsweisende Bauelementearchitekturen zu fertigen, die durch optische In-line-Steuerung und Laserstrukturierung betrieben werden. Zudem sind wir mit möglichen Kunden über die Anwendung unserer organischen Photovoltaikmodule auf Gewächshäusern im Mittelmeerraum im Gespräch.“ Die SMARTONICS-Pilotlinien sind bereits zu einer globalen Vergleichsbasis der intelligenten Fertigung und Verkapselung einer großen Vielzahl von Nanomaterialien, Bauelementen und Funktionskomponenten geworden. Und das Konsortium hegt die Hoffnung, dass das auch so bleiben wird: „Neben der Erhöhung der Prozesssicherheit, der Fertigbarkeit von OE-Bauelementen und deren Einsatz zur Prototypenentwicklung und in Feldversuchen planen wir die Vorstellung eines One-stop-shop-Konzepts, mit dem EU-Unternehmen, KMU und andere interessierte Institutionen an einer einziger Anlaufstelle neuartige Konzepte erkunden und OE-Funktionalitäten in ihren innovativen Produkten innerhalb einer Open-Access-Rahmenumgebung umsetzen können“, zeigt sich Professor Logothetidis begeistert. „Unsere Pilotlinien wird man außerdem mit anderen verbinden, um jene kritische Masse zu erschaffen, die Europas industrielle Führungsrolle in der intelligenten Fertigung (Smart Manufacturing) untermauern wird.“
Schlüsselbegriffe
SMARTONICS, Energienetz, Stromnetz, Strom, Elektrizität, heterarchisch, DSO, Grenoble Institute of Technology, Institut polytechnique de Grenoble, Netzwerk
