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 Positronen als neues Werkzeug für die Forschung an Lithiumionen-Batterien: Löcher in der Elektrode
22.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Mit Strom vorankommen
21.02.2017 | FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH

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: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

6. Internationale Fachkonferenz „InnoTesting“ am 23. und 24. Februar 2017 in Wildau

22.02.2017 | Veranstaltungen

Wunderwelt der Mikroben

22.02.2017 | Veranstaltungen

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ursache für eine erbliche Muskelerkrankung entdeckt

22.02.2017 | Medizin Gesundheit

Möglicher Zell-Therapieansatz gegen Zytomegalie

22.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Meeresforschung in Echtzeit verfolgen

22.02.2017 | Geowissenschaften