Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

TCOs: In leitender Position – und erst noch günstig

29.04.2014

Transparente, leitfähige Schichten sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sei es in Smart-phones, Tablets, Laptops, Flachbildschirme und (in grösserem Massstab) bei Solarzellen. Doch sie sind teuer und aufwändig herzustellen. Forschenden der Empa ist es nun gelungen, nicht nur eine kostengünstigere, sondern eine einfachere und umweltschonendere Methode zu entwickeln, solche so genannten TCOs zu produzieren.

Durchsichtig und gleichzeitig elektrisch leitfähig sollen sie sein, die Touchscreens für all unsere täglichen Gadgets. Auch Solarzellen funktionieren nicht ohne eine solche Schicht, die zwar das Sonnenlicht hindurchlässt, den entstehenden Strom aber auch ableiten kann. Herkömmliche «transparent conductive oxides» (TCO) bestehen aus einer Mischung aus Indium und Zinnoxid. Indium ist sehr gefragt in der Elektronikindustrie, jedoch rar und somit entsprechend teuer. 


Flexible, Indium-freie Solarzelle mit einer mit der neuen Empa-Methode hergestellten transparent-leitfähigen Schicht.

Eine (zumindest was das Material betrifft) günstigere Variante verwendet Zinkoxid, versetzt mit Aluminium, das meist im Hochvakuum mittels Plasmasputtering auf ein Substrat aufgetragen wird. Das Herstellungs-verfahren ist allerdings komplex und daher ebenfalls teuer. Zudem ist es energieaufwändig und somit auch ökologisch nicht optimal. Empa-Forschende der Abteilung «Dünnfilme und Photovoltaik» haben nun eine wasserbasierte Methode entwickelt, um aus Aluminium und Zinksalzen eine TCO-Schicht auf ein Substrat aufzubringen – ganz ohne Vakuum.

Weniger Energieaufwand

Ein weiterer Vorteil der neuen Methode: Beim «Aushärten» der TCO-Schicht, dem letzten Produktionsschritt, muss das Substrat nicht mehr wie bisher üblich auf 400 bis 600 Grad erhitzt werden, sondern lediglich auf 90 Grad. «Damit ist unsere Methode nicht nur günstiger und umweltschonender, sondern benötigt auch weniger Energie und es können sogar wärmeempfindlichere Substrate wie flexible Kunststoffe verwendet werden», erklärt Harald Hagendorfer aus dem Forschungsteam.

Der grösste Unterschied liegt allerdings im dem Herstellungsprozess zugrundeliegenden Prinzip: Während die TCO-Schicht bei der Sputtering-Methode mit Hilfe eines hochenergetischen Plasmas im Hochvakuum auf das Substrat aufgebracht wird, entsteht sie bei der Empa-Methode durch eine Art molekulare Selbst-organisation. Die TCO-Schicht wächst also «von selbst» – und das erst noch ohne Nachbehandlung bei hohen Temperaturen. Eine kurze Bestrahlung mit einer UV-Lampe genügt für eine hervorragende Leitfähigkeit.

Auch hier gab es allerdings ein Problem zu überwinden: Das Aluminium-Zinkoxid (AZO) wächst bevorzugt spitz zulaufend nach oben – ähnlich wie Stalagmiten in einer Tropfsteinhöhle. Für eine optimale Leitfähigkeit dürfen jedoch zwischen den «Säulen» keine Lücken bestehen. Einfache Lösung des Empa-Teams: Während des Kristallwachstums kommt ein «molekularer Deckel» zum Einsatz. So kann das Material nur beschränkt in die Höhe wachsen und wächst stattdessen auch in die Breite – es entsteht eine kompakte Schicht, die optimal leitfähig und transparent ist.

TCOs sollen noch effizienter werden

Das Empa-Team unter der Leitung von Ayodhya Tiwari ist nun daran, die AZO-Schichten weiter zu verbessern. Punkto elektrischer Leitfähigkeit und Transparenz können sie zwar bereits mit Indium-haltigen TCOs mithalten; beim Einsatz in Solarzellen ist dagegen noch einiges an Optimierung vonnöten. So wollen Tiwari und Co. die TCO-Schichtdicke von ein bis zwei Mikrometern auf einige hundert Nanometer verringern. Damit liessen sich die AZO-Schichten auch in flexiblen Solarzellen anwenden, der Materialeinsatz würde weiter verringert. Ausserdem arbeitet Tiwaris Team zurzeit mit einer weiteren Empa-Forschungsgruppe daran, organische Solarzellen Indium-frei und somit günstiger und nachhaltiger herzustellen. Das Interesse an der neuen Methode scheint jedenfalls gross zu sein. Projektpartner aus der Industrie sind bereits an Bord, was die Möglichkeit eröffnet, die Empa-TCOs bald im grossen Stil herzustellen. 

Literaturhinweis
Highly Transparent and Conductive ZnO: AI Thin Films from a Low Temperature Aqueous Solution Approach, H. Hagendorfer, K. Lienau, S. Nishiwaki, C.M. Fella, L. Kranz, A.R. Uhl, D. Jaeger, L. Luo, C. Gretener, S. Buecheler, Y.E. Romanyuk, A.N. Tiwari, Advanced Materials, 2014, doi: 10.1002-adma.201303186

Weitere Informationen
Dr. Harald Hagendorfer, Dünnfilme und Photovoltaik, Tel. +41 58 765 61 19, harald.hagendorfer@empa.ch
Dr. Yaroslav Romanyuk, Dünnfilme und Photovoltaik, Tel. +41 58 765 41 69, yaroslav.romanyuk@empa.ch
Redaktion / Medienkontakt
Cornelia Zogg, Kommunikation, Tel. +41 58 765 45 99, redaktion@empa.ch

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/146964/---/l=1

Cornelia Zogg | EMPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen