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USHIO Case Study – Photonflex-Projekt mit Fraunhofer

Fraunhofer – die Entwicklung von heute für die Zukunft von morgen

Fraunhofer ist die größte Forschungsorganisation für Anwendungstechnik in Europa. Ziel der Gesellschaft ist es, im Labor zu forschen und die Ergebnisse der Industrie zur Verfügung zu stellen. Dazu gehört auch die Umsetzung von Lösungskonzepten für öffentliche Projekte, die staatlich finanziert und von Spezialisten ausgeführt werden. Einer dieser Branchenexperten ist M. Sc. Ludwig Pongratz, Projektmanager im Bereich Mikro- und Nanostrukturierung am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, der am Photonflex-Projekt mitgearbeitet hat. Das Projekt besteht darin, ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren für den Druck organischer Solarzellen, wie z. B. flexibler Solarzellen auf Kunststofffolien, zu entwickeln. Die faltbaren und transparenten Solarzellen haben das Potenzial, Energie für industrielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Überall und jederzeit aufladen – ein ehrgeiziges, dank USHIO erreichbares Ziel.

„Ohne die Excimer-Technologie von USHIO hätten wir dieses Ergebnis niemals erreicht. Sie war die Lösung für unsere letzte große Problemstellung im Projekt. Das Team von USHIO hat sich von Anfang bis Ende intensiv in das Projekt eingebracht. Das Know-how und die Serviceorientierung von USHIO brachten das ohnehin hervorragende Ergebnis der Excimer-Technologie auf den Punkt. Mit dem Excimer konnten wir die Oberflächenhaftung so bearbeiten, dass wir schließlich die besondere Flexibilität und Transparenz erzielten, die das Photonflex-Projekt verlangte. USHIO hat dies optimal, schnellstmöglich und auf die beste Art und Weise umgesetzt.“
– M. Sc. Ludwig Pongratz – Projektmanager im Bereich Mikro- und Nanostrukturierung, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Im Rahmen des Photonflex-Projekts hatte Fraunhofer die Herausforderung angenommen, einen erfolgreichen Laborversuch auf eine Serienproduktion zu übertragen. Im Verlauf des Prozesses sah sich Pongratz mit einer ganz besonderen Herausforderung konfrontiert: die Oberflächenenergie weg von der elektrisch leitfähigen Schicht hin zu dem transparenten, um die Rolle gewickelten Kunststoff auszugleichen. Die dünnen Schichten müssen ganz präzise auf die ITO-Folien aufgebracht werden, und zwar absolut homogen, um über die gesamte Breite der Rolle einen gleichmäßigen Energiestatus zu gewährleisten. Ansonsten wäre die gleichmäßige Qualität der organischen Solarzellen beeinträchtigt. Hinzu kam, dass für eine Vorrichtung zur Sicherstellung dieser zentralen Eigenschaft nur ein Raum von 20x20x30 cm zur Verfügung stand. Pongratz suchte auf dem Markt intensiv nach einer Lösung für diese Problemstellung.

Excimer von USHIO: gebündelte Perfektion inline

Pongratz wusste, dass die Excimer-Technologie für die Anwendung geeignet war. Excimer-Strahlung ist eine starke Lichtenergie, die entsteht, wenn mit Edelgas oder Edelgas-Halogenid-Verbindungen gefüllte Lampen durch hochenergetische Elektronen angeregt werden. Diese Art von Strahlung ist besonders nützlich in zahlreichen Anwendungen, die eine Vergrößerung der Oberflächenenergie oder selektive Oberflächenmodifikation erfordern. Dabei verbessert die erhöhte Oberflächenenergie die Haftung des Materials auf dem Substrat, sodass das fertige Produkt eine weitaus höhere Qualität aufweist.

Mit der Excimer-Technologie könnte Fraunhofer die Solarzellen mit aktiven Absorbern aus der flüssigen Phase herstellen und laserbasierte Techniken für die Zellverschaltung und eine hocheffiziente Trocknung einsetzen. Aber würde diese Lösung in den kompakten verfügbaren Raum passen? Als reiner Inline-Prozess kommt die Excimer-Technologie ohne Vakuumkammer aus. Das Excimer-Modul von USHIO misst lediglich 15x15x15 cm und war daher perfekt für das Rolle-zu-Rolle-System geeignet.

Fraunhofer & USHIO – mehr als nur ein perfektes Team

Die Zukunft zu gestalten, ist keine einfache Aufgabe. Es braucht die Zusammenarbeit vieler Menschen, Marken und Technologien, um eine betriebsfähige, konstruktive Lösung zu finden. So erlebte Pongratz den Prozess: „Das Team von USHIO war sehr reaktionsstark und interessiert daran, diese neue Anwendung ihres Moduls zu testen. Sie schickten uns eine Demoversion für erste Versuche. Nach nur einem Tag Training wussten wir genau, wie wir uns die Excimer-Technologie zunutze machen können. Sie war genau das, was uns für unsere Solarzellenproduktion von Rolle auf Rolle noch gefehlt hatte. Die Oberflächenhaftung, die der Excimer erzielt, und der Service des USHIO-Teams sind so herausragend, dass wir beide für das nächste Projekt ab Sommer 2019 wieder in Anspruch nehmen werden. Bei diesem starken Ergebnis fiel uns die Entscheidung leicht.“

Das Photonflex-Projekt war ein voller Erfolg. Die Einführung der Excimer-Technologie von USHIO hat es Fraunhofer ermöglicht, eine skalierbare Produktionsmethode für organische Solarzellen zu finden. Pongratz und sein Team werden das Forschungs- und Maschinenbausegment in Nordrhein-Westfalen weiterhin unterstützen. Hierdurch wird in der Region die Solarbranche gestärkt, die eine Säule der nachhaltigen Ressourcenschonung darstellt. In ihrem nächsten Projekt wird sich Fraunhofer erneut auf die Excimer-Technologie von USHIO und ihre Zuverlässigkeit, Stabilität und Effizienz verlassen.

Challenge?

Das Fraunhofer-Institut brauchte eine Technologie zur inline-fähigen Oberflächenhärtung, die in einem sehr begrenzten Bauraum Platz hat.

Lösung?

Das Excimer-Modul von USHIO härtete das Energielevel der Oberfläche perfekt UND passte ideal in den kleinen Raum des Rolle-auf-Rolle-Produktionsmoduls.

Projektzeitraum:

Sommer 2016 – Sommer 2019

Zeit für die technische Ausreifung:

  • 9 Monate Tests, Experimente, Feineinstellung.
  • Ein Tag Training in der Excimer-Technologie.

Warum die Excimer-Technik?

  • kompakt
  • flexibel
  • effizient

Warum USHIO?

  • engagiert
  • unkompliziert
  • ergebnisorientiert
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