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H2020

INREP — Ergebnis in Kürze

Project ID: 641864
Gefördert unter: H2020-EU.3.5.3.
Land: Vereinigtes Königreich
Bereich: Grundlagenforschung, Industrielle Technologien, Digitale Wirtschaft

Neue kostengünstige, transparente Elektroden für die Optoelektronik

Die Entwicklung flexibler, transparenter Elektronikgeräte macht mit einer von EU-Forschern konzipierten robusten Alternative zu Indiumelektroden Fortschritte. Diese neuen Dünnschichtfilme könnten künftig Solarzellen, Leuchtdioden (LED) und Touchscreens revolutionieren.
Neue kostengünstige, transparente Elektroden für die Optoelektronik
Materialien auf Indiumbasis sind Grundelement in fast allen gängigen Flachbildschirmen, hocheffizienten Solarzellen wie auch Bestandteil organischer und anorganischer LEDs. Allerdings steigen die Nachfrage und demzufolge auch die Kosten für Indium.

Hauptziel des EU-finanzierten Projekts INREP war daher die Entwicklung wirksamer, aber wirtschaftlich nachhaltiger Alternativen zu Indium für die Optoelektronik. Das multidisziplinäre Konsortium arbeitete in einem umfassenden Ansatz mit renommierten Unternehmen aus der TCO-Branche (transparentes leitfähiges Oxid) sowie Instituten zusammen, die an indiumfreien TCO und Abscheidungsverfahren forschen. „Unser Ansatz vereinte Grundlagenforschung aus Physik und Materialwissenschaften, konventionelle Dünnschichtabscheidung sowie Wachstums- und Charakterisierungstechniken. Wir wollten TCO-Schichten entwickeln, die den spezifischen Anforderungen an innovative optoelektronische Bauteilen genügen“, wie Dr. Duncan Allsopp betont. Die neuen TCO-Dünnschichtfilme werden derzeit als Elektroden für Solarzellen, Touchscreen-Monitore, organische und anorganische LEDs eingesetzt.

Hocheffiziente Photovoltaikzellen

TCO mit Front- und Rückkontakt spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung hocheffizienter Solarzellen. „Statt Indium-Zinn-Oxid (ITO), das zu einem Standardmaterial für das Design von TCO in Solarzellen geworden ist, demonstrierten wir, dass Aluminium-Zinkoxid (AZO) sehr effiziente Rückreflektoren sowohl für Solarzellen mit front- als auch rückseitigen Emittern sein können. Als Material ist AZO eine billige und leichter verfügbare Alternative, die ebenso transparent und leitfähig ist wie Indium“, so Dr. Allsopp.

Bei Solarzellen mit rückseitigen Emittern können AZO Vorderseitenelektroden aus ITO ersetzen, mit vergleichbarer Leitfähigkeit, Füllfaktor und Ruhespannung. Für Hetero-Junction-Solarzellen aus amorphem Silizium Typ p erhöhen AZO-basierte TCO-Dünnschichten, die im ALD-Verfahren (atomic layer deposition) hergestellt wurden, den Füllfaktor am rückseitigen Reflektor von Rückstrahler-Solarzellen.

Galliumnitrid (GaN) auf Silizium

GaN ist das wichtigste Halbleitermaterial bei der Herstellung von LEDs mit sichtbarem Licht. Unter Standardbedingungen kristallisiert GaN in der Wurtzitstruktur, die nicht-zentrosymmetrisch ist, da die Aufwüchse entlang der Ga-Polaritäts- und N-Polaritätsachsen nicht äquivalent sind. Diese Polarität hat starken Einfluss auf die Materialeigenschaften und Geräteleistung.

Um LEDs zu erzeugen, bei denen AZO-Filme als Elektroden dienen, besteht nun die schwierige Aufgabe, TCO aus Stickstoff-polarem GaN Typ n herzustellen und neue Strukturen für LEDs zu erkunden.

Das Team entwickelte über eine ausgeklügelte Grenzflächenkonstruktion mittels Plasma-Vorbehandlung niederohmige Kontakte zwischen dem TCO und dem Stickstoff-polaren GaN Typ n. „Die neu entwickelten TCO-Materialien ebnen den Weg für innovative, sichtbare LED-Bauelemente, die effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger sind“, erklärt Dr. Allsopp.

Indiumfreie Anoden für OLEDs

Im Gegensatz zu LEDs emittieren organische LEDs (OLEDs) weiches diffuses Licht und leiten auch leichter Wärme ab. Da sich die Technik der Dünnschichtverkapselung langsam verbessert, können nun Lichtplatten hergestellt werden, die biegsam wie ein Stück Papier sind.

Transparenz und Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen müssen noch verbessert werden, um ITO auf flexiblem Untergrund und Verkapselungsmaterial einsetzen zu können.

Hierfür fanden die Forscher allerdings eine Lösung und demonstrierten, dass AZO-Anoden in OLED-Bauelementen, die entweder durch Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung oder ALD erzeugt werden, eine ähnlich hohe Lichtausbeute haben wie vergleichbare Geräte mit ITO-Anoden.

Touchscreen-Sensoren

Die Forscher von INREP suchten nach Alternativen zu ITO-Elektrodenmaterialien, indem sie im Siebdruckverfahren transparente Berührungssensoren herstellten. Die Herausforderung bestand darin, Druckpasten auf Basis von Silber-Nanodraht-Tinte mit rheologischen Eigenschaften herzustellen, die mit transparenten Berührungssensoren kompatibel sind. „Silberne Nanodraht-Touchscreens sind sehr viel transparenter als vergleichbare Strukturen auf ITO-Basis“ sagt Dr. Allsopp.

Vor allem aber entwickelte das Konsortium Technologien und Verfahren zur Nutzung von Silber-Nanodraht-Tinten für die kommerzielle Herstellung einer breiten Palette von Touchscreen-Displays. Für diese Anwendungen wurden auch geeignete Firmware-Plattformen erstellt.

Schlüsselwörter

INREP, transparentes leitfähiges Oxid (TCO), Solarzelle, Aluminium-Zinkoxid (AZO), Touchscreen, Silber-Nanodraht, transparente Elektrode, organische LED (OLED), Indiumelektrode
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