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11.10.2018

Flüssige Energierückgewinner

Elektronische Schichten aus Polymer-Tinte

Dünne organische Schichten können Maschinen und Geräten neue Funktionen verleihen. Zum Beispiel ermöglichen sie winzig kleine Energierückgewinner. Die sollen in Zukunft auf Rohren oder anderen Oberflächen angebracht werden, um bisher vergeudete Abwärme in Strom umzuwandeln. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden verwenden dafür Tinte auf der Basis von leitfähigen Polymeren.

Die IWS-Ingenieure haben dafür ein neues Verfahren entwickelt: Kleine Moleküle werden zu Polymeren zusammengesetzt, die negative Ladungsträger (Elektronen) transportieren können. Das Besondere: Das Polymer befindet sich, anders als vergleichbare Polymere, im flüssigen Zustand. Damit drucken bzw. sprühen sie sehr dünne und glatte organische Funktionsschichten auf Oberflächen.

  • Die Ingenieure haben eine Glasplatte durch Rotationsbeschichtung (Spin Coating) mit einer besonders glatten und leitfähigen Polymerschicht aus „Poly(Kx[Ni-itto])“ überzogen. Daneben steht ein Probenfläschchen der Polymerlösung (© Fraunhofer IWS)

    Die Ingenieure haben eine Glasplatte durch Rotationsbeschichtung (Spin Coating) mit einer besonders glatten und leitfähigen Polymerschicht aus „Poly(Kx[Ni-itto])“ überzogen. Daneben steht ein Probenfläschchen der Polymerlösung (© Fraunhofer IWS)

  • Dr. Tkachov begutachtet an einem Dispensdrucker eine Folie, die er mit zwei verschiedenen leitenden Polymeren bedruckt hat. „PEDOT:PSS“ ist ein Polymer mit positiven Ladungsträgern (p-leitend), während „Poly(Kx[Ni-itto])“ negative Ladungsträger transportiert (n-leitend) (© Fraunhofer IWS)

    Dr. Tkachov begutachtet an einem Dispensdrucker eine Folie, die er mit zwei verschiedenen leitenden Polymeren bedruckt hat. Pedot:PSS ist ein Polymer mit positiven Ladungsträgern (p-leitend), während Poly(Kx[Ni-itto]) negative Ladungsträger transportiert (n-leitend) (© Fraunhofer IWS)

  • Ein Dispensdrucker beschichtet Folien mit dem leitfähigen und flüssigen Polymer  (© Fraunhofer IWS Dresden)

    Ein Dispensdrucker beschichtet Folien mit dem leitfähigen und flüssigen Polymer (© Fraunhofer IWS Dresden)

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„Wir wollen so thermoelektrische Generatoren konstruieren, die zum Beispiel Sensoren an schwer zugänglichen Stellen mit Energie versorgen, an denen ein Batteriewechsel nicht sinnvoll, nicht möglich oder sehr teuer ist“, berichtet Lukas Stepien, der gemeinsam mit Dr. Roman Tkachov im Fraunhofer IWS Dresden dieses Entwicklungsprojekt betreut. Speziell sei an warme Rohre gedacht, die nicht heißer als 100 °C werden – bisher ist dies die Obergrenze für die untersuchten Polymere.

Die Technologie wäre laut Stepien aber auch nützlich im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT): Sensoren und andere elektronische Bauelemente könnten mit thermoelektrischen Generatoren ihren elektrischen Energiebedarf selbst decken. Eine Stromversorgung von außen wäre dann nicht mehr notwendig.

Thermoelektrische Generatoren kranken bisher am Wirkungsgrad

Thermoelektrische Generatoren sind als Konzept zwar schon seit Jahren bekannt. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad für einen massenhaften Einsatz zu gering: Sie wandeln im Schnitt nur sechs Prozent der empfangenen Wärmeenergie in elektrischen Strom um, so das Fraunhofer IWS.

Gelänge es indes, diese Ausbeute deutlich zu steigern, könnte dies weitreichende Folgen für die Energiebilanzen haben: Autohersteller könnten bspw. ihre Motoren mit solchen thermoelektrischen Generatoren beschichten, um die bisher mühsam weggekühlte Abwärme der Antriebsmaschinen elektrisch wiederzuverwerten. Der Kraftstoffverbrauch von Autos ließe sich so um bis zu ein Zehntel senken, geht aus Schätzungen hervor.

Vergleichsweise stabil unter Alltagsbedingungen

Einen wichtigen Schritt haben die Wissenschaftler bereits getan: Sie haben einen Weg gefunden, um Polymere vom sogenannten n-Leitungstyp (dabei steht „n“ für negative Ladungsträger) zu verflüssigen und sie dann weiter zu verarbeiten. Ihre Polymer-Schichten bleiben laut Institut auch danach unter Alltagsbedingungen vergleichsweise stabil. Normalerweise neigen solche langen organischen Moleküle dazu, zu altern und ihre Eigenschaften zu verlieren, wenn sie mit Luft in Kontakt kommen.

Um die Tinten auf der Basis von leitfähigen Polymeren zu erzeugen, haben Tkachov und Stepien einen mehrstufigen Prozess erarbeitet. Dabei verändern sie die Monomere zunächst auf chemischem Weg. Dann werden sie in einer Flüssigkeit gelöst. Wenn sich die Polymere zusammengefügt haben, kann das flüssige Material durch Druck-, Sprüh- oder andere Verfahren verarbeitet werden.

„Im Grundsatz waren diese Polymere zwar auch bisher schon druckbar“, betont Stepien. „Aber solange sie fest sind, ist dafür eine Dispersion, also eine Partikelmischung, notwendig.“ Demgegenüber sollen die gelösten Polymere qualitativ hochwertige glatte Schichtaufbauten erlauben, die – abhängig vom Prozess – nur ein Zehntel bis zehn Mikrometer dick sind.

Potenzial auch für organische Solarzellen

Dies wiederum erlaubt kompaktere und effektivere Bauelemente als die bisher verwendeten Polymere. Perspektivisch sehen die IWS-Ingenieure auch großes Potenzial für die Konstruktion von organischen Transistoren und Solarzellen. Bis dahin sei aber noch einige Forschungsarbeit zu leisten.

Zunächst konzentrieren sie sich darauf, die elektrische Leitfähigkeit ihrer Polymere weiter zu erhöhen. Außerdem wollen sie erste Prototypen thermoelektrischer Generatoren aus ihren neuen Materialien herstellen. (ys)

Weiterführende Information
  • 22.02.2018

    Stoffschlüssiges Fügen von Metall und Thermoplast

    Fraunhofer IWS entwickelt klebstofffreies Fügeverfahren

    Bei einem neuen Fügeverfahren wird laserstrukturiertes Metall mit thermoplastischen Bauteilen verpresst und diese lokal erwärmt. Der Thermoplast schmilzt und haftet an der Oberfläche.   mehr

Unternehmensinformation

Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden

Winterbergstr. 28
DE 01277 Dresden
Tel.: 0351 83391-0
Fax: 0351 83391-3300

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