Bauelement mit einer strukturierten Schicht auf einem Trägersubstrat
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer strukturierten Schicht aus einem dünnflüssigen, niedrigviskosen, einen bestimmten Festkörperanteil aufweisenden Medium auf einem Trägersubstrat.
Bei dem mindestens einen dünnflüssigen niedrigviskosen Medium kann es sich um einen Lack, eine Farbe oder eine Suspension handeln. Ein derartiges Medium kann z.B. aus Pigmenten, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel bestehen und gegebenenfalls Additive aufweisen. Dünnflüssige niedrigviskose Medien können auch nur Lösungen aus organischen Medien oder Polymeren sein; sie besitzen in der Regel einen niedrigen Festkörperanteil.
Bei dünnflüssigen niedrigviskosen Medien besteht das Problem, dass sie auf einem Trägersubstrat zu einem unerwünschten Verlaufen oder Ineinanderlaufen neigen und deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Farben bzw. Lacken schwerer zu verarbeiten d.h. zu verdrucken sind.
Beispielsweise müssen bei der Herstellung von Solarzellen auf Polymerbasis dünnflüssige, niedrigviskose Medien mit einem niedrigen Festkörperanteil verarbeitet werden, um geeignete strukturierte Schichten zu realisieren. Diese Schichten werden beispielsweise in einem Druckverfahren hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei es einfach möglich ist, eine strukturierte Schicht aus mindestens einem dünnflüssigen, niedrigviskosen Medium auf einem Trägersubstrat konturgenau herzustellen.
Diese Aufgabe wird von einem Bauelement mit einer strukturierten Schicht aus mindestens einem dünnflüssigen, niederviskosen, einen bestimmten Festkörperanteil aufweisenden Medium auf einem Trägersubstrat gelöst, bei dem auf dem Trägersubstrat eine die Außenkontor der strukturierten Schicht bestimmende Begrenzungsschicht und an der durch die Begrenzungsschicht begrenzten Innenfläche des Trägersubstrats das mindestens eine niederviskose dünnflüssige Medium vorgesehen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement können auch mehrere niedrigviskose dünnflüssige Medien nacheinander vorgesehen werden, wobei dazwischen jeweils eine Trocknung durchgeführt werden kann.
Die Begrenzungsschicht verhindert zum einen ein Verlaufen des mindestens einen dünnflüssigen, niedrigviskosen Mediums, so dass eine konturgenau strukturierte Schicht aus dem mindestens einen dünnflüssigen niedrigviskosen Medium herstellbar ist.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung besitzt die Begrenzungsschicht oder ein oder mehrere Teilbereiche der Begrenzungsschicht eine weitere, zusätzliche optische, elektrische und/oder mechanische Funktionalität. Die Begrenzungsschicht besitzt beispielsweise weiter eine Funktionalität wie die einer Registrierungslinie, eines elektrischen Kontakts, einen Außenkontaktierungs-Bereiches, eines Bereiches zur Erzeugung von visuellen Effekten, eines Licht-Streu-Bereiches zur weiteren Einkopplung von Licht, als Klebebereiche oder Kontaktierungsbereiche für Klebeschichten wie auch als Isolationslinie für Strukturierungslinien von Elektroden.
Die von der Begrenzungsschicht oder von mehreren Begrenzungsschichten bereitgestellte Begrenzungsstruktur kann so darüber hinaus ebenso als
Registrierungslinie herangezogen werden. Handelt es sich beispielsweise bei mindestens einem der niedrigviskosen dünnflüssigen Medien um ein farbloses Medium, welches mit dem bloßen Auge nach der Trocknung nicht sichtbar ist und in einem vorher vordefinierten Bereich gedruckt werden muss, so kann
mittels der als Registrierungslinie ausgestalteten Begrenzungsstruktur das registergenaue Aufbringen ein oder mehrerer Medien sichergestellt werden.
Weiter kann die Begrenzungsstruktur auch so eingesetzt werden, dass sie nicht nur eine Begrenzung für niedrigviskose dünnflüssige Medien bereit stellt, sondern auch einen elektrisch isolierenden Bereich zur Unterbrechung leitfähiger Bereiche bereit stellt, wie beispielsweise Elektroden bestehend beispielsweise aus ITO oder
Die Begrenzungsstruktur oder ein oder mehrere Teilbereiche der
Begrenzungsstruktur kann/können zudem auch aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und Kontaktierungselemente des Bauelements ausbilden. Sie können so in den Außenbereichen als Außenkontaktierungsbereiche, beispielsweise als Außenkontakte (Bus-Bar) des Bauelements zur Kontaktierung von elektrischen Systemen ausgebildet werden.
In diesem Zusammenhang kann die Begrenzungsstruktur oder ein Teilbereich der Begrenzungsstruktur auch - sofern sie bzw. er aus einem leitfähigen System bestehen, wie beispielsweise einem System mit Ag oder Kohlenstoff ("Carbon Black") - als Kontaktierungsbereich(e) oder Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung dienen und eine entsprechende Funktion in dem Bauelement erbringen.
Liegt eine geeignete Wahl der Zusammensetzung der Begrenzungsstruktur vor, so kann diese ebenso optische und visuelle Effekte bereitstellen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Begrenzungsstruktur oder ein Teilbereich der Begrenzungsstruktur aus einem optisch variable Pigmente enthaltenden Medium besteht oder lumineszente Stoffe enthält. Weiter ist es möglich, dass die Begrenzungsstruktur so ausgestaltet ist, dass über sie - im Falle der Photovoltaik - eine Lichtstreuung erfolgt, die zu einer Erhöhung der
Lichteinkopplung in die aktiven Bereiche der Zelle führt, beispielsweise Licht in die photoaktive Schicht des Bauelements zusätzlich einkoppelt.
Die Begrenzungsschicht kann auf das Trägersubstrat mit der jeweils gewünschten Randkontur, d.h. geradlinig, geschwungen oder beliebig anders aufgedruckt, aufgeprägt oder laminiert werden. Als Druckverfahren kann ein Siebdruck, ein Tiefdruck, ein Flexodruck oder dergleichen angewandt werden. Als Prägeverfahren kann beispielsweise ein Heißprägeverfahren angewandt werden. Das Aufbringen des mindestens einen dünnflüssigen niedrigviskosen Mediums an der durch die gewünscht konstruierte Begrenzungsschicht entsprechend begrenzten Innenfläche des Trägersubstrates kann auf jede an sich bekannte Weise geschehen. Beispielsweise wird das mindestens eine dünnflüssige niedrigviskose Medium an der durch die Begrenzungsschicht begrenzten Innenfläche des Trägersubstrates durch Siebdrucken aufgebracht.
Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Wahl der Zusammensetzung des Materials der Begrenzungsstruktur und somit der gebildeten Oberflächenenergie (nach der Trocknung der Begrenzungsstruktur), die
Benetzung der nachfolgenden Schichten im Bereich der Begrenzungsstruktur stark beeinflusst werden kann. Als vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, die Oberflächenenergie der Begrenzungsstruktur (nach Trocknung) höher als die des Mediums zu wählen, oder umgekehrt. Hierdurch ist eine gute Benetzung erzielbar.
Gemäss eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgt vor Applikation der Begrenzungsstruktur(en) eine Vorbehandlung oder Vorbehandlungen des Trägers. Als Vorbehandlung kann hierbei eine Plasma- Behandlung, Corona-Behandlung, nass-chemische Behandlung etc. erfolgen. Die Vorbehandlung(en) ist hierbei so zu wählen, dass diese zu keinen Beeinträchtigungen der funktionalen Schichten führt bzw. führen.
Bei dem Trägersubstrat kann es sich um ein formstabiles plattenförmiges Trägersubstrat oder um ein flexibles flächiges oder streifen- bzw. bahnförmiges Folienmaterial handeln.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Wanddicke der Begrenzungsschicht zum Festkörperanteil des dünnflüssigen
Mediums umgekehrt proportional, so dass der Materialverbrauch für die Begrenzungsschicht in vorteilhafter weise auf ein Minimum beschränkt ist. In diesem Zusammenhang hat sich zur Erzeugung einer 200 nm trockenen Halbleiterschicht, aus einer 6 % Lösung gebildet wird, eine Begrenzungsstruktur mit einer Wanddicke von 3,5 μm als vorteilhaft erwiesen.
Wird die Begrenzungsschicht auf das Trägersubstrat gedruckt, so wird für die Begrenzungsschicht ein Material verwendet, das eine Viskosität besitzt, die konturgenau verdruckbar ist.
Auf dem Trägersubstrat kann mindestens eine geradlinige, wellenförmige oder beliebig anders geformte rahmenförmige Begrenzungsschicht und danach das mindestens eine niedrigviskose Medium vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung einer quasi diskontinuierlichen konturgenau strukturierten Begrenzungsschicht auf einem Trägersubstrat. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass auf einem bandförmigen flexiblen Trägerkörper mindestens ein Paar in Bandlängsrichtung verlaufende geradlinig, gewellt, geschwungen o. dgl. linienförmige Begrenzungsschichten und zwischen diesen das mindestens eine niedrigviskose Medium vorgesehen sind. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung einer quasi kontinuierlichen konturgenau strukturierten Begrenzungsschicht auf einem Trägersubstrat.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann zur Realisierung von Solarzellen auf Polymerbasis das mindestens eine niedrigviskose dünnflüssige Medium ein Polymerelektronikmedium aus P3HAT, PCBM (Poly-3- hexylthiophen und Fullerene) oder einem Gemisch aus P3HT und PCBM sein, das z.B. zwei oder mehrere übereinander vorgesehene Medium-Lagen aufweisen kann. Kommen mehrere niedrigviskose Medien zum Einsatz, so kann ein und dieselbe Begrenzungsschicht verwendet werden, die Wanddicke muss aber dann dementsprechend angepasst sein.
Erfindungsgemäß kann die Begrenzungsschicht eine nach der Trocknung des mindestens einen niedrigviskosen Mediums vom Trägerkörper entfernbare
Opferschicht sein, sofern die Begrenzungsschicht oder Strukturen nicht einer der oben genannten weiteren Funktionalitäten besitzen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch verdeutlichten Verfahrens-Varianten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit einer strukturierten Schicht aus mindestens einem dünnflüssigen niedrigviskosen Medium auf einem Trägersubstrat.
Es zeigen:
Figur 1 abschnittweise in einer Draufsicht eine erste Variante des
Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie M-Il in Figur 1 ,
Figur 3 eine der Figur 1 ähnliche abschnittweise Draufsicht auf eine zweite Verfahrensvariante,
Figur 4 eine den Figuren 1 und 3 ähnliche abschnittweise Draufsicht auf eine dritte Verfahrensvariante, und
Figur 5 eine der Figur 4 ähnliche Ansicht einer vierten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Bauelementes.
Die Figuren 1 und 2 verdeutlichen abschnittweise ein Trägersubstrat 10 mit einer Oberfläche 12, auf die in einem ersten Verfahrensschritt eine
Begrenzungsschicht 14 aufgebracht wird. Die Begrenzungsschicht 14 ist rahmenförmig ausgebildet und besitzt eine scharfrandige Innenkontur 16. In diesem Fall hat die Begrenzungsstruktur neben der weiteren Funktionalität der
Registrierungslinie keine weiteren Funktionalitäten, wie dies im Vorfeld mit ausgeführt wurden.
Nach dem Aufbringen der rahmenförmigen Begrenzungsschicht 14 wird an der durch die Begrenzungsschicht 14 begrenzten Innenfläche 18 des
Trägersubstrates 10 mindestens ein dünnflüssiges niedrigviskoses Medium aufgebracht. Das ist in Figur 1 durch den Pfeil 20 symbolisiert. Dieser Verfahrensschritt kann wahlweise mehrmals - auch mit verschiedenen Medien wiederholt werden. Bei dem mindestens einen niedrigviskosen Medium 20 handelt es sich z.B. um ein Polymerelektronikmedium, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Solarzellen auf Polymerbasis zu realisieren.
Während Figur 1 auf der Oberfläche 12 des Trägersubstrates 10 nur eine einzige rahmenförmige Begrenzungsschicht 14 zeigt, verdeutlicht die Figur 3 abschnittweise ein Trägersubstrat 10, auf dessen Oberfläche 12 eine gitterartige Begrenzungsschicht 14 aufgebracht ist, um eine entsprechende Anzahl Innenflächen 18 zu verwirklichen, auf die dann das mindestens eine niedrigviskose Medium 20 aufgebracht wird, um eine entsprechende Anzahl Solarzellen zu verwirklichen. Auch hier hat die Schicht nur die Funktionalität der Begrenzung und die der Registrierungslinie; weitere Funktionalitäten sind in diesem Fall ausgeklammert und werden nicht betrachtet.
Figur 4 verdeutlicht abschnittweise ein bahnförmiges flexibles Trägersubstrat 10, das an seinen beiden Längsrändern jeweils mit einer linienförmigen Begrenzungsschicht und Registrierungslinie 14 versehen ist. Weitere
Funktionalitäten der Begrenzungslinien werden in Figur 4 nicht betrachtet.
Die linienförmigen Begrenzungs- und Registrierungsschichten 14 weisen jeweils eine scharfrandige Innenkontur 16 auf. Zwischen den beiden linienförmigen Begrenzungs- und Registrierungsschichten 14 wird auf das Trägersubstrat 10 an der durch die Innenkonturen 16 begrenzten Innenfläche 18 mindestens ein niedrigviskoses dünnflüssiges Medium 20 aufgebracht. Das kann beispielsweise mittels Tiefdruck- Walzen erfolgen.
Figur 5 verdeutlicht in einer der Figur 4 ähnlichen abschnittweisen Draufsicht ein Trägersubstrat 10, das nicht nur an seinen beiden Längsrändern jeweils mit einer linienförmigen Begrenzungsschicht 14 versehen ist, sondern außerdem auch mit einer weiteren Begrenzungsschicht 14 in einem mittleren Bereich des bandförmigen Trägersubstrates 10. Durch die Begrenzungsschichten 14 sind zwei Innenflächen 18 bestimmt, an welchen jeweils mindestens ein dünnflüssiges niedrigviskoses Medium 20 vorgesehen wird. Die Begrenzungsschicht weißt auch hier nur eine weitere Funktionalität, die einer Registrierungslinie auf - weitere Funktionalitäten werden in diesem Fallbeispiel nicht betrachtet.
Durch die Begrenzungsschicht 14 wird - unabhängig von ihrer jeweiligen Form - ein Verlaufen des mindestens einen dünnflüssigen niedrigviskosen Mediums 20 auf der Oberfläche 12 des Trägersubstrates 10 verhindert.
In den Figuren 1 bis 5 sind jeweils geradlinige Strukturen der Begrenzungsschichten 14 dargestellt. Die Begrenzungsschichten 14 können selbstverständlich auch mit anderen, den jeweiligen Anforderungen entsprechenden Randkonturen ausgebildet sein.