Photonische Textilientextilintegrierte optische Detektoren für Sicherheitsanwendungen Gudrun Andrä, Jonathan Plentz

Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) Abteilung: FunktionaleGrenzflächen Arbeitsgruppe: Photovoltaische Systeme Adresse: Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Jena Telefon: +49 (0) 3641 / 206 412 E-Mail: [email protected]

SmartTex-Workshop - Weimar - 10. Mai 2016

SmartTex-Workshop-Weimar 10.Mai 2016

IPHT Jena, Beutenberg-Campus

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Institut der Leibniz-Gemeinschaft

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≈ 300 Mitarbeiter in 7 Abteilungen

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Ausrichtung: Photonische Technologien für Lebenswissenschaften, Umwelt und Medizin

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Arbeitsgruppe Photovoltaische Systeme mit gegenwärtig 12 Mitarbeitern in der

Abteilung Funktionale Grenzflächen

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Arbeitsgebiete der Gruppe PV-Systeme mc-Si-Dünnschichtsolarzellen auf Basis laserkristallisierter Schichten

Solar/Detektor-Gewebe

90 µm

Faserbasierte Solarzelle

Hybridzellen Organik + Si

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Infrastruktur Beschichtung

● Ebeam-Bedampfung für Si

und Metalle

Laserprozesse

● Diodenlaser ● Festkörperlaser

● CVD/ PECVD für Si

● Excimerlaser

● ALD für AZO und Al2O3

UV, VIS, NIR

● Sputteranlagen für SiNxOy,

cw bis ns (fs)

● MW-Plasma-Anlage für H2

Linie, Gauß,…

Analytik

● Solarzellen-Messplätze ● optische Messplätze ● LBIC ● REM mit EBSD, FIB, EBIC Kristallisation, Tempern, Dotieren, Strukturieren

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Einleitung Basis der Überlegungen und erster Arbeiten zu Textilintegrierte optische Detektoren für Sicherheitsanwendungen  Entwicklung von Solargewebe

Glasfaser-Gewebe mit eingewebten Metallfäden und lokalen Solarzellen-Schichtstapeln

Eigenschaften: extrem leicht, flexibel, textilintegrierbar, waschbar, großflächig herstellbar und nachträglich konfektionierbar

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Solargewebe  kostengünstig konfektionierbar durch Möglichkeit der nachträglichen Verschaltung

8 x 14 cm2

 Ugesamt = R x 0,625 V - Igesamt = P x 1,6 mA - Pgesamt = R x P x 1 mW  ausreichend zur Smartphone-Versorgung  Breites Anwendungsfeld der Solargewebe • Energieversorgung von Sensoren, Aktoren, Kleingeräten, • Einsatz in Gebäuden für Abschattungselemente oder LKW-Planen

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Solargewebe Weitere Entwicklungsarbeiten

•

Großflächig reproduzierbare Parameter durch Materialanpassung -> Temperaturstabilität und Ausdehnungskoeffizient u.a. des Coatings

• •

Skalierbare Technologieschritte für Beschichtung, Strukturierung, Kontaktierung TAB Forschergruppe mit Uni Jena zu Solar-Speicher-Gewebe

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Photonische Textilien für Sicherheitsanwendungen (Textile) Solarzellen erzeugen aus Licht elektrische Energie (Strom, Spannung) Strom- bzw. Spannungssignal zeigt Lichteinfall an und kann für Gefahr-Detektion und Warnung genutzt werden Anwendungsfelder

Warnung vor beschädigter Schutzkleidung für Biomaterialien, Chemikalien, Gas, Wärme, bei mechanische Belastung

Ladungssicherheit  Europa: 57.000 Diebstähle pro Jahr  Deutschland: 1,5 Mrd. € Schaden  Europa: 8,2 Mrd. € Schaden

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 1. Großflächige Herstellung von Solarzellen-Schichtsystemen auf bzw. zwischen textilen Geweben

Schichtsystem auf laminiertem Gewebe Bedingungen: geschlossene Schichtoberfläche; Temperaturstabilität (150..230oC/ 30 min); Vakuumstabilität (1 mbar); Thermische Ausdehnung (Si: 4∙ 10-6/K)

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“ Detektion Helligkeitszunahme (Öffnung eines Raums, Behälters, Abdeckung,…) Signalauswert ung

Signalauswertu ng

A

A

10x10 cm2 Wafer-Zelle Lichtquelle Sonnentag (entspricht etwa 1000 W/m2) Zimmerbeleuchtung Straßenbeleuchtung Kerze (Entfernung 1 Meter) Vollmondnacht Sternklarer Nachthimmel (ohne Mond) Bewölkter Nachthimmel (ohne Mond)

Ev (lx = lm/m2) 100.000 500 10 1 0,25 0,001 0,00013

Jsc (µA/cm2) 10.000 50 1 0,1 0,025 0,0001 0,000013

ISignal (µA) 1.000.000 5.000 100 10 2,5 0,01 0,0013

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“

 Straßenbeleuchtung (10 lx) und Mondschein (0,25 lx) geben Signal  Reihen- oder Parallel-Schaltung von Zellen zur Erhöhung des Signals möglich

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“

Test in abgedunkeltem Labor

• • • • • •

Kleinste Helligkeiten, die zur Orientierung notwendig sind, sind detektierbar Dünnschichtsolarzellen generieren weniger Strom als Waferzellen; Lösung: Verschaltung Anwendungsfelder Waferzellen textile Dünnschichtzellen ? 1 €/ Wafer, „Drahtverschaltung“  kleine Räume Solargewebe 30 €/ m2 , integrierte Verschaltung  große Räume, flexibel

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“

Wirkprinzip Beschädigung des Gewebes

Lichteinfall

Signal durch Photostrom

Warnung bevor körperlicher Schaden entsteht, Ausschalten von Geräten

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“ Tests mit Lasern als lokale Lichtquelle I-V--Signale bei Lichteinfall auf Zelle ohne Deckgewebe 5,0

900

4,5 4,0

800 700

3,5

600 500

3,0 2,5

400

2,0

300

1,5

Spannung (P4/6) Strom (P4/6)

200 100

1,0 0,5

0

0,0 0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

Strom / mA

Spannung / mV

1.6

Integral der Spannung / a.u.

1000

Verhalten bei Zerstörung des Gewebes 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

20

40

60

80 100 120 140 160 180 200 220 240

Zeit / s

Laserleistung / W

Wellenlänge 532 nm (grün),

Wellenlänge 355 nm (blau), Pulslaser

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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“ Signalanstiegszeiten bei Beleuchtung mit 20 ns-Puls 350

350

300

300 s3_P5/2_1 mJ s4_P5/2_1,2 mJ s6_P5/5_1,3 mJ s5_P5/4_1,4 mJ s2_P5/3_1,5 mJ s1_P5/3_2,2 mJ

250 200

Spannung / mV

Spannung / mV

2

150 100

250 200 150 100

50

50

0

0 0

2

4

6

8

10

Zeit / µs

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s3_P5/2_1 mJ (1,3E3 J/m ) 2 s4_P5/2_1,2 mJ (1,5E3 J/m ) 2 s6_P5/5_1,3 mJ (1,6E3 J/m ) 2 s5_P5/4_1,4 mJ (1,8E3 J/m ) 2 s2_P5/3_1,5 mJ (1,9E3 J/m ) 2 s1_P5/3_2,2 mJ (2,8E3 J/m )

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Zeit / µs

 Signal-Generation innerhalb von ns  augenblickliche Warnung oder Abschaltung von Geräten  Solarzellen empfindlich im Bereich von UV (248nm) bis NIR (810nm)  Funktionieren z.T. auch nach lokaler Zerstörung

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Zusammenfassung • • • •

Solarzellen-Schichtaufbau auf und zwischen Textilien großflächig möglich Nutzbar als großflächige Detektoren im Sicherheitsbereich Wirkprinzip: schnelle Generation eines elektrischen Signals bei Lichteinfall auch sehr niedriger Intensität direkt auf die Detektorschicht oder nach Zerstörung einer Deckschicht Einsatz für Diebstahl-Sicherung, Einsatz in Schutzkleidung ….?

Wann textile Variante?

Größe der möglichen Schäden? Wann Funktionskontrolle?

• •

dichte, glatte Beschichtungsoberflächen notwendig Materialanpassung in Hinblick auf Temperatur- und Vakuumstabilität sowie Wärmeausdehnung

•

hier nicht beschriebene Produktentwicklung auf Basis eines photonischen Textils wurde begonnen

•

Gesucht: Interessenten für weitere Produktentwicklungen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit