Publikation Dresdner Innovationszentrum Energieeffizienz DIZE EFF

DRESDNER
INNOVATIONSZENTRUM
ENERGIEEFFIZIENZ DIZE EFF
EIN KOOPERATIONSPROJEKT
ZWISCHEN VIER DRESDNER
FRAUNHOFER-INSTITUTEN UND
NEUN EINRICHTUNGEN DER
TECHNISCHEN UNIVERSITÄT
DRESDEN
SPRECHER
Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR WERKSTOFFUND STRAHLTECHNIK IWS DRESDEN
WINTERBERGSTRASSE 28
01277 DRESDEN
DRESDNER
INNOVATIONSZENTRUM
ENERGIEEFFIZIENZ DIZE EFF
ZIEL:
Ausbau der Region Dresden für das Zukunftsthema Energieeffizienz über die bestehenden institutionellen Grenzen hinaus.
Beschleunigung von Innovationen für die ansässige Wirtschaft.
Nachwuchsförderung durch Schwerpunktbildung in der Ausbildung und damit Verbesserung der Attraktivität der Region für
Studenten.
WEG:
9 Einrichtungen der TU Dresden bearbeiten gemeinsam mit 4
Dresdner Fraunhofer-Instituten 6 Themenkomplexe zur Energieeffizienz in 23 wissenschaftlichen Projekten.
ERGEBNISSE:
- eingeworbene Drittmittelerträge von ca. 110 % der
Fördersumme bereits nach 3 Jahren Projektlaufzeit
- mehrere gemeinsame Projekte zwischen den FraunhoferInstituten und der TU Dresden
- Patenttätigkeit und Patentverwertung
- Masterstudiengang »Regenerative Energiesysteme«
- Internationale Sichtbarkeit
THEMENKOMPLEX
LEICHTBAU UND
ENERGIEEFFIZIENTE
FERTIGUNG
PROZESSMODELLIERUNG
ZUM EINSATZ VON REAKTIVEN
NANOMETER-MULTISCHICHTEN
FÜR DIE ENERGIEEFFIZIENTE
FÜGUNG VON BAUTEILEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
Professur Laser- und Oberflächentechnik
am Institut für Fertigungstechnik (IF)
ANSPRECHPARTNER
Dipl.-Phys. Maximilian Rühl
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
Ziel:
Minderung des Wärmeeintrags in Bauteile durch Fügen mit
Reaktivmultischichten (RMS).
Verbesserung des Prozessverständnisses sowohl des Fügeprozesses selbst als auch der für das Fügen eingesetzten Reaktivmultischichten.
Weg:
RMS bestehen aus mindestens zwei reaktiven Materialien, die in
mehreren hundert bis einigen Tausend periodischen Schichten
mittels Magnetron-Sputter-Deposition abgeschieden werden.
Es sind Gesamtdicken zwischen wenigen Mikrometern bis hin zu
mehreren zehn Mikrometern, Periodendicken im Bereich von 10
bis 150 nm und NAl/NNi-Verhältnisse von 0,3 bis 4 herstellbar.
Damit sind die Eigenschaften der RMS, wie z. B. Energiemenge
und Schmelzzeit für Lote einstellbar.
Ergebnisse:
Experimentelle Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
unter verschiedenen Bedingungen.
Testen der RMS anhand realer Fügungen und Bestimmung der
Festigkeit der Fügungen.
FEM-Modellierung der physikalischen Abläufe in der RMS mit
variierenden Parametern.
Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und des Temperaturfeldes der RMS und Vergleich mit den experimentell
bestimmten Daten.
Anpassung der RMS an die jeweilige Anwendung.
ERNIEDRIGUNG DER
LÖTTEMPERATUR
DURCH NANOPARTIKEL
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Füssel
Professur Fügetechnik und Montage
am Institut für Fertigungstechnik (IF)
ANSPRECHPARTNER
Dr.-Ing. Jörg Zschetzsche
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Verringerung des Wärmeeintrages beim Fügen von Bauteilen
durch Verwendung von reaktiven Nanometermultischichten.
WEG:
Simulation der Wärmeleitungsvorgänge in Abhängigkeit von
der Folien- und Grundwerkstoffdicke, der Grundwerkstoffzusammensetzung, dem Kontaktmaterial der Einspannung
sowie der Umgebungstemperatur.
ERGEBNISSE:
Dauer des schmelzflüssigen Zustandes des Lotes ist abhängig
von der Dicke der RMS-Folie und wichtig für die Ausbildung
der Lötverbindung.
Einsatzmöglichkeiten:
- Löten von Titan, da durch sehr kurze Lötzeiten unerwünschte
Reaktionen vermieden werden können.
- Applizieren von Dehnungsmessstreifen, da das Fügen mittels
reaktiven Nanometermultischichten die Möglichkeit bietet,
ohne großen apparatetechnischen Aufwand unter Montagebedingungen zu arbeiten.
UNTERSUCHUNGEN ZU
NANOPARTIKELBASIERTEN
KLEBVERBINDUNGEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
Professur Laser- und Oberflächentechnik
am Institut für Fertigungstechnik (IF)
ANSPRECHPARTNERIN
Dr. rer. nat. Irene Jansen
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften
von Klebverbindungen durch die Integration von Nanopartikeln.
WEG:
Charakterisierung des Einflusses kohlenstoffhaltiger Nanopartikel
auf die Klebverbindungen und das Fließverhalten des Klebstoffes.
Herstellung, Prüfung und Alterung von Klebungen mit verschiedenen Füllstoff-Gehalten.
ERGEBNISSE:
Durch Vorbehandlung der Fügezonen mittels Faserlaser konnten
hohe, langzeitstabile Klebfestigkeiten erreicht werden.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde durch die Dispergierung von
Carbon-Nanotubes (CNT) in die Klebstoffe erheblich verbessert.
Die Perkolationsschwelle lag für 2K-Epoxide bei 0,1 Gew.-% CNT.
Die Klebfestigkeiten sowie das Alterungsverhalten wurden durch
die Füllstoffe nur wenig beeinflusst.
Funktionalisierte CNT führten zu besseren mechanischen Werten.
GESTALTUNG UND AUSLEGUNG
NEUARTIGER FÜGESYSTEME
FÜR MODULARE LEICHTBAUANTRIEBSWELLEN SOWIE
ERPROBUNG VON ENERGIEEFFIZIENTEN HERSTELLUNGSUND MONTAGEPROZESSEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h. c.
Werner Hufenbach
Professur Leichtbau und Kunststofftechnik am
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
ANSPRECHPARTNER
Florian Lenz
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Entwicklung und Erprobung neuartiger Leichtbaulösungen für
zukünftige Antriebsstränge in Maschinen und Fahrzeugen.
WEG:
Durchgängige Entwicklung von Antriebswellen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Hohes Maß an Energieeffizienz nicht nur im Betrieb, sondern
auch in der Fertigung.
ERGEBNISSE:
Entwurf nach strukturmechanischen und fertigungstechnischen
Gesichtspunkten.
Gestaltung und Auslegung der hochbeanspruchten Verbindungssysteme zwischen Faserverbundwelle und metallischem Kupplungsbauteil.
Energieeffiziente Fertigung und Montage von Antriebswellen in
Faserverbund-Metall-Mischbauweise.
REIBUNGSMINDERNDE
GLATTE SCHICHTEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
Professur Laser- und Oberflächentechnik
am Institut für Fertigungstechnik (IF)
ANSPRECHPARTNER
Gregor Englberger
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Abscheiden von wasserstofffreien Kohlenstoffschichten, ohne
dass Schichtdefekte durch auf das Substrat auftreffende Partikel
entstehen.
WEG:
Entwicklung eines Plasmafiltersystems für das zur Schichtabscheidung genutzte Laser-Arc-Modul.
Optimierung der Filtereinheit in Bezug auf Schichtqualität und
Produktivität.
Anpassung der Schichttechnologie.
ERGEBNISSE:
Defektarme Bauteilvorbehandlung durch Nutzung dropletfreier Verfahren (z. B. Sputterverfahren und Hohlkathodenätzprozess) und
Abscheidung partikelarmer haftfester Zwischenschichten führt zu
deutlicher Reduktion der Rauheit.
Gegenkörperverschleiß wurde durch den Einsatz des Plasmafilters,
im Vergleich zu den ungefilterten Schichten, deutlich reduziert.
REIBUNGSMINDERUNG DURCH
LASERSTRUKTURIERUNG
VON OBERFLÄCHEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. Andrés-Fabian Lasagni
Professur Laserstrukturieren in der Fertigungstechnik am Institut für Fertigungstechnik (IF)
ANSPRECHPARTNER
Dipl.-Phys. Teja Roch
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Verringerung der Reibung von mechanisch beanspruchten
Oberflächen durch eine Laserstrukturierung.
WEG:
Oberflächenstrukturierung mittels Laserinterferenzstrukturierung
(DLIP) und Mikrolinsen-Array-Strukturierung (MLA).
ERGEBNISSE:
Mittels MLA strukturierte mikrometerdicke ta-C Schichten weisen
verbesserte tribologische Eigenschaften auf.
Gegenkörperverschleiß (einer Kugel) an Luft und im Vakuum wird
um 70 % verringert.
Strukturierung von Chromstahl mittels DLIP mit Strukturierungsgeschwindigkeiten von 20 cm2/s und Strukturgrößen zwischen
1 und 5 μm ermöglichen eine Verringerung des Reibwertes um
~81 % gegenüber unstrukturierten Stahlsubstraten.
Für ein weitergehendes Verständnis der Strukturausprägung
wurde ein Simulationsprogramm basierend auf der geglätteten
Teilchen-Hydrodynamik-Methode entwickelt.
THEMENKOMPLEX
OBERFLÄCHENBEHANDLUNG
UND SCHICHTTECHNIK ZUR
WERKSTOFFENTWICKLUNG
FÜR DIE HOCHTEMPERATURENERGIETECHNIK
SCHICHTEN UND SCHICHTSYSTEME FÜR DIE TROPFENKONDENSATION IN
WÄRMEÜBERTRAGERN
VAKUUMBASIERTE PLASMAVERFAHREN FÜR DIE BESCHICHTUNG
ZUR ERZIELUNG DER TROPFENKONDENSATION
PROJEKTLEITER
Prof. Dr.-Ing. Gerald Gerlach
Professur Festkörperelektronik am Institut
für Festkörperelektronik (IFE)
ANSPRECHPARTNER
Dr. Daniel Glöß
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FEP
ZIEL:
Einsatz moderner, vakuumbasierter Plasmaverfahren zur Herstellung von langzeitstabilen, hydrophoben Schichten für Tropfenkondensation in Wärmeübertragern.
WEG:
Erzeugung lanzeitstabiler, wasserabweisender Metalloberflächen
durch Plasmabeschichtung mit einem PECVD-Prozess unter Verwendung von Plasmapolymeren und fluorierten Kohlenstoffmonomeren. An den beschichteten Metalloberflächen erfolgte die
Bewertung ihrer wasserabweisenden Eigenschaften sowie ihrer
Stabilität unter einsatznahen Bedingungen. Weiterhin wurden der
Einfluss der Vorbehandlung und der Mikrostruktur auf die Hydrophobie der Oberflächen untersucht.
ERGEBNISSE:
Es wurden hydrophobe Schichten abgeschieden, die mit 107°
einen deutlich höheren Waserkontaktwinkel aufwiesen, als die
unbeschichteten Metalloberflächen.
Durch zusätzlichen Einsatz mikrostrukturierter Oberflächen
konnte der Wasserkontaktwinkel sogar auf > 119° gesteigert
werden.
An den Schichten wurde eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten nachgewiesen.
MATHEMATISCHE MODELLIERUNG UND EXPERIMENTELLE
VALIDIERUNG ANHAND EINES
PRÜFSTANDES ZUR ANWENDUNG
BESCHICHTETER KOMPONENTEN
FÜR DIE TROPFENKONDENSATION
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Michael Beckmann
Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung am Institut für Energietechnik (IET)
ANSPRECHPARTNER
M. Sc. Chien-Hung Lu
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FEP
ZIEL:
Mit Hilfe modernster Verfahren sollen verschiedene metallische
Substrate so modifiziert werden, dass hydrophobe Flächen entstehen, welche die Tropfenkondensation unterstützen.
WEG:
Erzeugung langzeitstabiler, wasserabweisender Metalloberflächen
durch Plasmabeschichtung und Laserinterferenzstrukturierung.
Erstellung eines mathematischen Modells zur Validierung der
Tropfenkondensation.
Untersuchung strukturierter und beschichteter Oberflächen an
speziellem Teststand zur Bestimmung der Tropfenkondensationsmechanismen.
ERGEBNISSE:
Verdopplung der Wärmeübergangskoeffizienten an beschichteten und strukturierten Proben im Vergleich zum Stand der Technik bei gleichzeitig niedrigen Unterkühlungstemperaturen
(Temperaturdifferenz zwischen dampfförmigem Fluid und Oberfläche des Wärmeübertragers).
Erstellung eines mathematischen Modells zur Beschreibung des
Wärmeübergangs von einem dampfförmigen Fluid über einen
einzelnen Tropfen an die Apparatewand.
THEMENKOMPLEX
KERAMISCHE BAUTEILE AUF
DER BASIS NICHTOXIDISCHER
FASERVERBUNDWERKSTOFFE
FÜR NEUARTIGE SYSTEME
IN DER HOCHTEMPERATURENERGIETECHNIK
DESIGN, MATRIXENTWICKLUNG
UND VERFAHRENSENTWICKLUNG
ZUR BAUTEILHERSTELLUNG
NICHTOXIDISCHER FASERVERBUNDWERKSTOFFE
UNTERSUCHUNGEN ZUM HOCHTEMPERATUR-, OXIDATIONS- UND
KORROSIONSVERHALTEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Alexander Michaelis
Professur Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe (ANW)
am Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW)
ANSPRECHPARTNERIN
Dipl.-Ing. Katrin Schönfeld
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Entwicklung von Faserverbundwerkstoffen für ein anwendungsorientiertes Eigenschaftsprofil unter korrosiven Bedingungen bis
zu Temperaturen von 1600 °C für Anwendungen in der Energietechnik.
WEG:
Herstellung von nichtoxidischen keramischen Faserverbundwerkstoffen mit einem für Hochtemperaturanwendungen geeigneten
Eigenschaftsniveau (hohe Festigkeit und Schadenstoleranz).
Umsetzung dieser entwickelten Werkstoffe in Bauteile und Funktionsmuster für die Energietechnik (z. B. Wärmerohre).
ERGEBNISSE:
Herstellung von hochtemperaturbeständigen nichtoxidischen
Faserverbundwerkstoffen mit einem Festigkeitsniveau > 200 MPa.
Umfassende Hochtemperaturcharakterisierung von SiC-Faser
basierten CMC mit unterschiedlichen Matrizies.
Entwicklung einer kontinuierlichen Faserbeschichtungsmethode
über Flüssigphaseninfiltration zur Einstellung einer definierten
Faser-Matrix-Anbindung und zur Einstellung eines schadentoleranten Bruchverhaltens.
Qualifizierung einer Prüfmethode zur Charakterisierung der FaserMatrix-Anbindung.
Entwicklung von Oxidationsschutzschichten.
Bereitstellung ausgewählter Werkstoffe für Fügeversuche und
erfolgreiche Testung durch die Projektpartner.
ENTWICKLUNG EINER LASERTECHNOLOGIE ZUM FÜGEN
VON BAUTEILEN AUS FASERVERBUNDWERKSTOFFEN
PROJEKTLEITER
Prof. Antonio Hurtado und Dr. Wolfgang Lippmann
Professur Wasserstoff- und Kernenergietechnik
am Institut für Energietechnik (IET)
ANSPRECHPARTNERIN
Dipl.-Ing. Marion Herrmann
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Entwicklung einer Technologie, die das laserbasierte Verbinden
von keramischen Bauteilen ermöglicht.
Vorteile: kurze Prozesszeit, lokale Bauteilerwärmung
WEG:
Einsatz von Glaskeramik-Loten auf der Basis von Y2O3-Al2O3SiO2.
Siliziumkarbid-Keramik (SiC) kann in besonderem Maße die
durch den Laserenergieeintrag entstehenden Temperaturgradienten und -transienten abtragen.
ERGEBNISSE:
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch SiC-Feinstkorn-Zusätze zum Lot.
Nachweis der thermischen Beständigkeit dieser Fügenähte bei
Temperaturen bis 1050 °C.
Alternativ zu den verwendeten Glasloten wurden faserkeramische Bauteile mit Silizium gefügt.
Bei einem Zusatz von Kohlenstoff zum Silizium ist während des
kurzzeitigen laserbasierten Prozesses die Bildung von SekundärSiC möglich.
THEMENKOMPLEX
DÜNNSCHICHTSYSTEME
UND PRODUKTIONSTECHNIK
FÜR KOSTENGÜNSTIGE
SOLARZELLEN
ATMOSPHÄRENDRUCKPLASMAPROZESSE
FÜR DIE PHOTOVOLTAIK
UND GASRECYCLING
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. habil. Stefan Kaskel
Professur Anorganische Chemie I an der Fachrichtung
Chemie und Lebensmittelchemie
ANSPRECHPARTNERIN
Dr. Ines Dani
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS
ZIEL:
Erhöhung der Effizienz kristalliner und Dünnschicht-SiliziumSolarzellen durch eine verbesserte Lichteinkopplung und Verringerung der Kosten je Wattpeak durch innovative Prozesse mit
hohem Durchsatz.
WEG:
optimierte Strukturierung von Silizium, Glas und dünnen Schichten aus transparenten leitfähigen Materialien (TCO) mit klimafreundlichen Gasen durch plasmachemische Oberflächentexturierung bei Atmosphärendruck sowie Evaluierung laseraktivierter
Ätzpasten zum lokalen Ätzen dieser Materialien.
ERGEBNISSE:
Einsatz von Atmosphärendruck-Plasmaverfahren in industriellen
Testreihen zur Kantenisolation von Solarwafern erfolgreich demonstriert.
Erzeugung optimaler Oberflächenstrukturen zur Lichteinkopplung
in TCO nachgewiesen.
Herstellung laseraktivierbarer Ätzpasten mit für Druckprozesse
angepassten rheologischen Eigenschaften.
PVD-ABSCHEIDUNG VON
ABSORBERSCHICHTEN FÜR DIE
DÜNNSCHICHT-PHOTOVOLTAIK
CHARAKTERISIERUNG DER
SCHICHTEN HINSICHTLICH IHRER
HALBLEITERPHYSIKALISCHEN
EIGENSCHAFTEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Jörg Weber
Professur Halbleiterphysik am Institut für
Angewandte Physik (IAP) der TU Dresden
ANSPRECHPARTNER
Prof. Dr. Jörg Weber
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FEP
ZIEL:
Suche nach Möglichkeiten, wie kostengünstige Si-Absorberschichten auf Fremdsubstraten für die Photovoltaik hergestellt
werden können.
WEG:
Strukturelle und optische Charakterisierung der mit dem Elektronenstrahl kristallisierten amorphen Siliziumschichten.
Optimierung des Kristallisationsprozesses.
Erarbeiten eines Verfahrens, das die Orientierungen der Kristalle
in den multikristallinen Schichten bestimmt und die strukturellen
Eigenschaften der Korngrenzen analysiert.
ERGEBNISSE:
Vergleich der strukturellen Eigenschaften mit den Rekombinationseigenschaften der Schichten liefert Hinweise auf ein starkes
nicht-strahlendes Rekombinationsverhalten verunreinigter Korngrenzen.
Erzeugen effizienter Lichtfallenstrukturen durch nasschemisches
Ätzen und starke Verringerung der Reflexion der Schichten.
durch nasschemisches Ätzen erzeugte stabile Wasserstoff-Passivierung reicht aus, um die Ladungsträgerrekombination direkt
nach dem Schichtwachstum zu bestimmen.
TRANSPARENTES LEITFÄHIGES
P-DOTIERTES ZINKOXID FÜR DIE
PHOTOVOLTAIK
CHARAKTERISIERUNG VON
P-DOTIERTEM ZINKOXID UND
HERSTELLUNG EINES PV-MODULS
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Alexander Michaelis
Professur Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe (ANW)
am Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW)
ANSPRECHPARTNERIN
Dr. Isabel Kinski
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Aufklärung der Schicht- und Eigenschaftsausbildung bei der Abscheidung verschieden dotierter Zinkoxidschichten in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern.
WEG:
Anwendung etablierter Charakterisierungsmethoden für dotierte
Schichten (z.B. REM, Ellipsometrie, Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie, HALL- und ERDA-Messung).
Eingrenzen des Prozessparameterfeldes für homogene Beschichtung der Substrate mit dotiertem Zinkoxid.
ERGEBNISSE:
Bestimmung der Verteilung der Dotierelemente Stickstoff und
Bor in den Schichten.
Steuerung der Gefüge- und Eigenschaftsausbildung durch geeignete Prozessparameter (Plasmaleistung, Prozessdruck, Elektrodenabstand, Sauerstofffluss, verwendeten Edukte Zinkprecursor und
Sauerstoffquelle).
Ausarbeiten der Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den Prozessen zur Stickstoff- bzw. Bor-Dotierung.
Prozessentwicklung und Erprobung neuer Precursoren (Zn und O).
TRANSPARENTES LEITFÄHIGES
P-DOTIERTES ZINKOXID FÜR DIE
PHOTOVOLTAIK
UNTERSUCHUNG DER PHYSIKALISCHEN VORGÄNGE BEI DER
KRISTALLISATION UND ABSCHEIDUNG VON P-DOTIERTEM ZINKOXID
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Jörg Weber
Professur Halbleiterphysik am Institut für
Angewandte Physik (IAP)
ANSPRECHPARTNER
Prof. Dr. Jörg Weber
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Herstellung leitfähiger ZnO-Schichten für die Photovoltaik, die
durch ihre p-Dotierung einen geringen Kontaktwiderstand zur
darunter liegenden p-dotierten Silizium-Schicht besitzen.
WEG:
Züchtung hochreiner ZnO-Einkristalle und -Schichten mit niedriger Defektkonzentration und guter Kristallqualität mittels eines
speziellen Gasphasentransportverfahrens und Charakterisierung
der Prozesse und Reaktionen, die zur Instabilität der p-Dotierung
führen.
ERGEBNISSE:
Ausbau des Verständnisses für das Dotierverhalten von ZnO.
p-Dotierung von ZnO unter Bedingungen des thermischen
Gleichgewichts (Schichtwachstum beim Gasphasen-Transport)
nicht möglich.
Basis für die Entwicklung von neuartigen Elektrodenschichten
und Abscheideprozessen gelegt.
Bestimmung von Parametern für das Wachstum dünner, homogener ZnO-Schichten auf Si-Wafern.
ORGANISCHE SOLARZELLEN
PROJEKTLEITER
Prof. Karl Leo und Dr. Lars Müller-Meskamp
Professur Optoelektronik am Institut für
Angewandte Photophysik (IAPP)
ANSPRECHPARTNER
Dr. Lars Müller-Meskamp,
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien
und Elektronische Bauelemente COMEDD
ZIEL:
Untersuchung und Entwicklung einer kostengünstigen Alternative zum Indiumzinnoxid (ITO), die auch auf flexiblen Substraten
höchste Leistungsfähigkeit zeigt, und Herstellung transparenter
Solarzellen.
Integration von verschiedenen Verkapselungstechnologien, Messung der Wasserdampfpermeation und Korrelation von Barriereeigenschaften mit der Lebensdauer der Devices.
WEG:
Alternative transparente Elektroden, wie: transparente Oxide
mit reduzierten metallischen Dotandenanteil, Silbernanodrahtnetzwerke, PE-DOT:PSS (evtl. mit Metallgitter) oder Metalldünnschichten.
Verkapselung mit ALD oder Glas und Barrieremessungen.
ERGEBNISSE:
Hervorragende Leistungsfähigkeiten für die verschiedenen Elektrodentechnologien und ihre Integration in effiziente Solarzellen
erzielt.
Bestimmung der im Bereich der Verkapselung für die Degradation
des Bauelementes verantwortlichen Menge an Wasser und Korrelation mit Barriereeigenschaften der Verkapselung.
THEMENKOMPLEX
ENTWICKLUNG VON SELBSTTRAGENDEN METAL SUPPORTED
CELLS (MSC) FÜR HOCHTEMPERATURBRENNSTOFFZELLE
ENTWICKLUNG METALLGETRAGENENER ZELLEN FÜR DIE HOCHTEMPERATUR-BRENNSTOFFZELLE
SOWIE ELEKTRODENCHARAKTERISIERUNG UND ZELLTESTUNG
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Alexander Michaelis
Professur Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe (ANW)
am Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW)
ANSPRECHPARTNER
Dr. Ing. Mihails Kusnezoff
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Verringerung der Herstellungskosten von Brennstoffzellen durch
Einsatz metallgetragener Zellen (»metal supported cell« – MSC).
WEG:
MSC-Herstellung basiert auf verstärkter Nutzung kostengünstiger
metallischer Werkstoffe, deren naßchemische Beschichtung mit
keramischen Zellkomponenten und Versinterung bei hohen Temperaturen eine Herausforderung darstellen. Dieser Herausforderung wird durch die Entwicklung kosteneffizienter Herstellungsprozesse unter reduzierender Atmosphäre begegnet. Die Steigerung von Zellleistung, Langzeitstabilität, Schwefeltoleranz wird
dabei durch die Elektrodenentwicklung und -charakterisierung erreicht. Die elektrochemische Charakterisierung der Zellen erfolgt
dabei in speziell dafür entwickelten Prüfständen, die Untersuchung elektrochemischer Eigenschaften, Langzeitstabilität und
Kontaminantenbeständigkeit erlauben.
ERGEBNISSE:
Es wurden innovative Verfahren entwickelt, womit MSC mit der
Elektrolytdicke von 25 - 40 µm auf Basis eines porösen Metallträgers erfolgreich aufgebaut konnte. Die Zellleistung von
150 mW/cm² bei 850 °C wurde an solchen Zellen demonstriert.
Die entwickelte niedertemperatursinternde und langzeitstabile
Kathode erlaubte kostengünstige und einfache in-situ Integration
der Zellen in Brennstoffzellenstapel.
HOCHTEMPERATUR-ENERGIETECHNIK
ENTWICKLUNG NEUER ELEKTRODENMATERIALIEN FÜR METALLSUBSTRAT-GETRAGENE HOCHTEMPERATURBRENNSTOFFZELLEN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Ulrich Guth
Professur Physikalische Chemie, Mess- und Sensortechnik
an der Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie
ANSPRECHPARTNER
Prof. Dr. Ulrich Guth
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS
ZIEL:
Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien für metallsubstratgetragene Hochtemperaturbrennstoffzellen (»solid oxide fuel cell« SOFC).
WEG:
Präparation neuer keramischer Mischoxidmaterialien für Anoden
und Kathoden von SOFC.
Untersuchung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften (Kristallstruktur, Stabilität, Leitfähigkeit, Sauerstoffnichtstöchiometrie,
thermische Ausdehnung, Sauerstoffbeweglichkeit, katalytische
Aktivität).
ERGEBNISSE:
Präparation und Untersuchung neuer Kompositionen auf Basis
von Titanaten als potenzielle Anodenmaterialien.
Präparation einphasiger Mischoxide mit hoher elektrischer Leitfähigkeit als mögliche Kathodenmaterialien.
Möglichkeit der direkten Verwendung von Methan als Brennstoff
in Brennstoffzellen wurde gezeigt.
THEMENKOMPLEX
ENERGIESPARENDE DISPLAYS
AUF DER BASIS VON
SILIZIUMMIKROSPIEGELN
ENERGIESPARENDE DISPLAYS
AUF DER BASIS VON
SILIZIUMMIKROSPIEGELN
PROJEKTLEITER
Prof. Dr. Hubert Lakner
Professur Optoelektronische Bauelemente und Systeme
am Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik (IHM)
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Wolter
Professor Verfahrenstechnologie der Elektronik am Institut für
Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT)
ANSPRECHPARTNER
Dr. Sergiu Langa
[email protected]
INSTITUTIONELLER PARTNER
Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme
IPMS
ZIEL:
Entwicklung einer Bondtechnologie auf Wafer-Level-Basis, die
es ermöglicht, mikroelektromechanische Spiegel, vor allem für
mobile Geräte, energieeffizienter zu gestalten.
WEG:
Verkapselung der Mikrospiegel auf Wafer-Ebene durch anodische und Glas-Frit Bondverfahren unter Vakuum bei Temperaturen < 450 °C.
Bonden von vier 150 mm-Wafer in einem Stapel.
Vereinzeln des gebondeten Waferstapels und elektrische und
optische Charakterisierung der Chips.
ERGEBNISSE:
Die vereinzelten Chips sind ca. 6 mm lang, 4 mm breit und
1,6 mm dick.
Tests auf Chip-Ebene belegen, dass nach der Vereinzelung ein
Vakuum unter 5 mbar erreicht wurde.
Das erreichte Vakuum erlaubt es die Ansteuerspannung der
Mikrospiegel von 170 V auf 50 V zu reduzieren.
PARTNER UND KOOPERATIONEN IM ÜBERBLICK
Kontakt
Prof. Dr. Eckhard Beyer
Dr. Stefan Schädlich
Telefon: +49 351 / 83391-3420
Fax: +49 351 / 83391-3300
Fraunhofer IWS Dresden
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
www.iws.fraunhofer.de
Prof. Dr. Jörg Weber
Telefon: +49 351 / 4633-5170
Fax: +49 351 / 4633-7060
TU Dresden
Institut für Angewandte Physik
Halbleiterphysik
01062 Dresden
www.tu-dresden.de/physik/hlp
http://www.innovation-energieeffizienz.de/