Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - “Van vacuümdepositie zullen we evolueren naar printen en rol-op-rol”, belooft prof. Koen Vandewal (38) aan IMO-IMOMEC, het geïntegreerd onderzoeksinstituut van UHasselt en imec (Diepenbeek). Tegelijk geeft hij toe dat iedereen dacht dat het wel sneller zou lukken.
Er zijn reeds demonstratoren maar vandaag koop je nog steeds geen ‘geprint’ OLED-beeldscherm. Er zijn immers nog tal van uitdagingen. De halfgeleiderlaag moet zeer dun zijn (minder dan 100 nanometer) en dan blijkt ‘opdampen’ alsnog makkelijker dan ‘printen’. “Ook de inktformulaties bevinden zich nog in de onderzoeksfase.” Er wordt vooral geprint met polymeren die langere ketens vormen, en dus een hogere ladingsmobiliteit hebben. Maar om mooie homogene lagen te hebben, moeten de inkten dus eveneens bijgestuurd worden.
“Het materiaal dient in slechts enkele stappen geproduceerd te worden, anders schiet er niet veel meer over van het startmateriaal”, zegt Vandewal. “Van de materialen die goed werken, hebben we dikwijls slechts enkele honderd milligram, geen kilogrammen…” Dagelijks worden ook nieuwe polymeren ontwikkeld. Die ontwikkelingen volgen, is een challenge. “Van silicium zijn de structuur, de eigenschappen en parameters goed gekend. Wij ontwikkelen technieken om die correct te meten. Met nieuwe materialen is het telkens weer opbouwen.”
Een en ander kan gesimuleerd worden, maar dan is de precisie minder. Welke kleur een organisch materiaal zal opleveren in een oplossing of droog, kan berekend worden maar het blijft moeilijk te voorspellen hoe een nieuwe molecule zich zal gedragen. “Soms lukt het, en wordt het gepubliceerd, maar meestal niet. Daarmee moeten we leren omgaan.” Gelukkig zijn er werkpaard-materialen waarop het onderzoek zich kan focussen.
Ladingsmobiliteit
Silicium haalt een ladingsmobiliteit van ongeveer 1.000 cm²/Vs. Bij organische materialen is er niet één waarde (er zijn zoveel verschillende materialen) maar een hele spreiding, van 1 cm²/Vs tot 10-4 cm²/Vs. Dat is wel duizend tot tien miljoen keer lager. Er is nog veel fundamenteel onderzoek te doen. Over de beweging van de lading, bijvoorbeeld.
Vandaag gebeurt het transport van ladingen doorheen de organische materialen vaak nog zeer wanordelijk. De organische laag moet dus ordelijker. Men probeert daarom organische ‘kristallen’ te printen. “Kristallen hoeven niet indien de organische films maar dun genoeg gemaakt zouden kunnen worden… maar we krijgen ze niet ‘geordend’. Koolstof is lichter dan silicium. De atomen bewegen meer en dat werkt tegen ons. Maar we hebben het nog niet opgegeven en er wordt wel degelijk vooruitgang geboekt.”
Maar ook over de afzetmethodes. “Terwijl organische zonnecellen of detectoren laagdiktes hebben van honderden micron, zitten wij duizend keer dunner.” Organische moleculen kunnen amorf zijn of heel lichtjes kristallijn. Bij opdampen is het vooralsnog makkelijker om homogene lagen te bekomen dan met printen. Maar het gaat ook om levensduur en mogelijke toepassingen. Zo blijkt de blauwe kleur in de OLED-schermen het snelst te vervagen. “Dat vergt nieuwe materialen.”
Toepassingen: sensoren, dunfilm PV
Met silicium kan je foto/lichtdetectoren bouwen die licht detecteren met golflengtes van 400 tot 1000 nm. Dat is het volledige visuele gebied en een deel van het nabije infrarood. Als je verder in het infrarood wilt, zijn andere materialen nodig en moet je de apparatuur koelen. “Willen we een werkende detector bekomen dan moeten we chemici vragen om pigmenten die binnen een bepaald golflengtebereik licht absorberen. Vervolgens moeten we die optimaliseren zodat we sterk absorberende én dunne lagen kunnen neerzetten.” Hij kan zich voorstellen dat beeldsensoren met een extra laagje dat infrarood licht opneemt, aangewend kunnen worden in warmtecamera’s “om het silicium te ‘enhancen’. Alles is in onderzoeksfase.”
Dunfilm zonnecellen moeten een groot stroomsignaal geven. “Twintig jaar geleden haalden organische dunfilmen 1% efficiëntie. Vandaag halen we in het labo 17 à 18%. Dat betekent dat we elk jaar de efficiëntie zowat met één procent omhoog krijgen.” Helemaal niet slecht. Ondertussen halen silicium zonnecellen op het dak wel 25%… Dergelijke organische dunfilm PV kan in een ander kleurtje en is dan wellicht goed voor ‘building integrated photovoltaics’? “Die zijn minder efficiënt. Gekleurde zonnecellen reflecteren immers een deel van het licht. Denk echter aan semi-transparante zonnecellen die bovenop siliciumcellen komen om een breder spectrum van het licht te vangen en om te zetten. Dunfilm kan meer blauw licht opnemen. Dergelijke tandemcellen worden in het lab getest waar ze momenteel de efficiëntie van silicium met ongeveer 1% verbeteren.”
Bio-elektronica
Een andere toepassingstak is de bio-elektronica die in het lichaam van de patiënt gebracht wordt. Organische elektronica belooft flexibele dragers die in sommige gevallen zelfs oplossen in het lichaam, wat zinvol kan zijn voor ‘tijdelijke’ toepassingen. Gekeken wordt naar biocompatibiliteit. “Er wordt hierop heel veel onderzoek gedaan”, aldus Vandewal. “Niemand wil een steen (silicium) in zijn lijf. Koolstof gebaseerde materialen zijn dikwijls niet giftig.”
Onderzoekers proberen de hersenen rechtstreeks te verbinden met sensoren, computers, sturingen, ... Signalen in het menselijk lichaam lopen via ionenstromen. Om bruikbaar te zijn voor transistoren moeten die in elektronenstromen worden omgezet. “Er worden polymeren ontwikkeld die precies dát doen. En omgekeerd.”
Performantie heeft meerdere aspecten
“Veel organische elektronica is gedemonstreerd en werkt maar er is meer performantie nodig om te concurreren met wat al bestaat,”, zegt Vandewal. Performantie betekent niet alleen ‘opbrengst’ maar ook betrouwbaarheid en levensverwachting. Zo trokken de soepele organische zonnecellen van het Amerikaanse Konarka (ondertussen failliet) het maar een paar jaar terwijl silicium PV-panelen een levensverwachting van een paar decennia kennen. “Je kan de molecules ongetwijfeld stabiliseren maar dat kost tijd.”
Het PI-SCALE project, deel van EU’s Horizon 2020 programma, bouwde een soepele OLED-pilootlijn (LYTEUS) die, nu het project vorig jaar afgerond is, actief blijft bij het Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP (Dresden). Een van de producten die er van de lijn liepen is een kunststoffen spuitgiet armband met ingebouwde OLED’s die licht van een bepaalde golflengte uitstuurt die wondhelend is.
Het ‘organisch’ verhaal klinkt anders voor verschillende toepassingen. “OLED-beeldschermen presteren beter dan anorganische LED-schermen en werden daarom zo’n succesverhaal. Ze doen iets dat eerder niet kon. Organische zonnecellen mogen dan wel lichtgewicht, flexibel en gekleurd zijn, ze presteren op dit moment nog steeds minder dan silicium PV-cellen…”
Door Luc De Smet
Kader 1:
Koen Vandewal haalde zijn MSc in de fotonica aan de UGent in 2004 en vijf jaar later zijn doctoraat in Hasselt op organische zonnecellen. Voor zijn postdoc trok hij twee jaar naar het Zweedse Linköping in de Biomolecular and Organic Electronics groep, en als postdoc ook twee jaar naar Stanford University. In 2014 werd hij prof ‘organische fotovoltaïek’ aan het Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) van de technische universiteit van Dresden “waar in de omgeving op een gegeven ogenblik meer dan duizend vorsers op organische elektronica onderzoek deden. ”
Vier jaar later vond hij een plek dichter bij huis, in Diepenbeek, bij IMO-IMOMEC van de universiteit Hasselt. Hij is er actief op de fysica-afdeling en doet o.a. research op een betere omzetting van signalen in organische media. Hij werkt samen met de chemie-afdeling en een groep die zich focust op het printen. “Ik moet de chemici begrijpen en zij mij. Het fundamenteel onderzoek verloopt allemaal in overleg. Kan je dit maken of niet? Soms denken we dat we het weten…” Begin dit jaar ontving Vandewal van de Europese Unie de ERC Consolidator beurs, goed voor 2,4 miljoen euro voor zijn ConTROL-project (Charge-TRansfer states for high-performance Organic eLectronics).
Kader 2: Organische PV-dunfilm
Heliatek, eveneens een spin-off (2006) van de TU Dresden en de universiteit van Ulm, ontwikkelde de organische HeliaSol-zonnefilm die een efficiëntie van 8% haalt en is nu bezig zijn serieproductie aan te zwengelen. Het vacuümdampt zijn innovatieve halfgeleidertechnologie op een kunststoffen draagfolie in een rol-op-rolproces. De organische cel heeft meerdere lagen om niet alleen het zichtbare licht maar ook infrarood en ultra-violet te vangen. Het standaardproduct meet 0,436 m bij 2 m, heeft een zelfklevende basis en is uitgerust met aansluitkabel.
Het bedrijf zou nu de breedte optrekken naar zo’n 90 cm en kiezen voor semi-transparantie. Het karakteriseert zijn technologie als het omgekeerde van OLED, die energie omzet in licht. Tegen 2022 voorziet het met HeliaFilm een geïntegreerde oplossing voor de bouw. Het bedrijf beklemtoont zijn ‘groene’ signatuur met een carbon footprint van minder dan 10 gram CO2e/kWh vergeleken met 40 à 100 gram CO2e/kWh voor standaard silicium PV-technologieën.
Zijn PV-actieve laag bevat nauwelijks één gram organisch materiaal per vierkante meter. Het gaat er prat op dat het 98% van zijn materialen betrekt in Duitsland en Europa, dat er geen zeldzame materialen noch zware metalen gebruikt worden. Wel PET als encapsulatie. In 2016 investeerde o.m. Engie New Ventures in het bedrijf. Heliatek PV-stroken zijn te zien op de voorgevel van Engie Laborelec in Linkebeek.
