Laminieren organischer Photovoltaik auf gekrümmte Oberflächen

Ultradünne Elektronik kann jetzt mit wärmeschrumpfenden Polymeren auf gekrümmte Oberflächen laminiert werden.

Die von einem RIKEN-Team entwickelte wärmeschrumpfende Technologie könnte es ermöglichen, Solarzellen und Berührungssensoren an Objekten anzubringen, deren Form eine Laminierung schwierig macht1.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass gekrümmte Solarzellenpaneele an bewölkten Tagen das Sonnenlicht effizienter einfangen als flache. Eine Möglichkeit, gekrümmte Elektronik herzustellen, sind gummiartige Substrate, aber Solarzellen auf solchen Substraten haben in der Regel eine viel geringere Leistung. Im Gegensatz dazu haben Solarzellen, die auf flexiblen Folien hergestellt werden, einen hohen Wirkungsgrad, lassen sich aber nur schwer auf gekrümmten Oberflächen anbringen – eine Tatsache, die jeder bestätigen kann, der schon einmal versucht hat, einen Fußball als Geschenk zu verpacken.

Forscher unter der Leitung von Takao Someya vom RIKEN Center for Emergent Matter Science erkannten, dass dieses Problem mit Hilfe von wärmeschrumpfenden Folien gelöst werden könnte, die üblicherweise zur Verkapselung von Produkten wie rezeptfreien Medikamenten verwendet werden. Während die meisten elektronischen Geräte zu starr oder zerbrechlich sind, um auf Schrumpffolie befestigt zu werden, hat sich das Team auf die Herstellung ultradünner Geräte mit einzigartigen Eigenschaften spezialisiert.

„Wenn ein Material dünner wird, wird es flexibler – deshalb können wir Aluminiumfolie mit der Hand zerknüllen, aber auch Fahrräder aus Aluminium herstellen“, erklärt Postdoktorand Steven Rich. „Obwohl wir starre Materialien wie Metalle und Kunststoffe verwenden, sind sie dreimal dünner als eine Einkaufstüte und können sich sehr stark biegen, ohne zu brechen.“

Rich und drei RIKEN-Kollegen befestigten eine nicht dehnbare, aber flexible Polymerfolie an einer Schrumpffolie und beobachteten dann mit Hilfe der Mikroskopie die Schichtstruktur während verschiedener Hitzeeinwirkungen. Diese Tests ergaben, dass die ultradünnen Folien bei einer Schrumpfung der Fläche um bis zu 70 % die Druckbelastung durch die Bildung winziger Falten und Fältchen verringerten.

Durch die Steuerung der Größe dieser Falten und die Auswahl von Materialien, die sowohl Hitze als auch starker Faltenbildung standhalten, konnte das RIKEN-Team vorgefertigte organische Photovoltaikmodule auf runde Objekte (Abb. 1) sowie auf Objekte mit scharfen Winkeln und unregelmäßigen Krümmungen schrumpfen, darunter Plastikfelsen und traditionelle japanische Daruma-Puppen.

Obwohl die Forscher davon ausgingen, dass das Schrumpfen die photovoltaischen Komponenten beschädigen und die Leistung der Geräte verringern könnte, trat das Gegenteil ein. Experimente zeigten, dass die photonischen Eigenschaften der durch das Schrumpfen entstandenen Faltenstrukturen die Lichtabsorption verbesserten und die Effizienz der Energieumwandlung um bis zu 17% im Vergleich zu planaren Geräten steigerten.

Das Team nutzte die Schrumpfverpackung auch, um den Henkel einer Teetasse mit einem elektronischen Berührungssensor zu laminieren – ein delikates Kunststück, das als Beispiel dafür dient, wie diese Technologie breit angewendet werden könnte. „Wir könnten Sensoren zusammen mit Displays, Stromerzeugungssystemen und Transistoren einbauen, um interaktive Schnittstellen zu schaffen“, sagt Rich.

• Rich, SI, Lee, S., Fukuda, K. & Someya, T. Entwicklung des Nicht-Entwickelbaren: Erstellen von Elektronik mit gekrümmter Oberfläche aus nicht dehnbaren Geräten. Advanced Materials Online-Vorabveröffentlichung 8. Oktober 2021. doi: 10.1002/adma.202106683

Quelle

Riken Center for Emergent Matter Science 2022 | Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)