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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Herstellungsverfahren


Herstellungsverfahren

Mikrostrukturiert, leistungsfähiger, preisgünstiger: Herstellungsverfahren aus der Informationstechnologie sind auch bei Brennstoffzellen auf dem Vormarsch. Mikrostrukturiert, leistungsfähiger, preisgünstiger: Die Mikroelektronikindustrie hat vorgemacht, wie auch hochkomplexe  Systeme mit massenfertigungstauglichen Herstellungsverfahren besser und bezahlbarer werden können. Auch für Brennstoffzellen und andere  Energiewandler und -Speicher ist die effiziente und damit wirtschaftliche Herstellung ein ganz wichtiger Aspekt.

Das Institut IEK-1 setzt daher auf sogenannte Gasphasenabscheidungsprozesse. Hier unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: physikalische Gasphasenabscheidung (engl.: physical vapor deposition, kurz: PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapor deposition, kurz: CVD). 

Prinzip

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird ein Material z.B. durch Verdampfen oder Zerstäuben auf atomarer Skala in die Gasphase überführt. Das Gas trifft auf die zu beschichtenden Proben und scheidet sich dort, je nach Versuchsdauer, als nanometer- bis mikrometerdünne Schicht ab. Während des gesamten Beschichtungsprozesses - Überführen in die Gasphase,  Bewegung zu den Proben und Kondensation auf der Probenoberfläche - ändert sich nur der Aggregatszustand des Werkstoffs: von "fest" oder "flüssig" zu "gasförmig" und wieder zu "fest".  Es bleibt aber grundsätzlich chemisch dasselbe Material.  

Anders bei der chemischen Gasphasenabscheidung: Hier werden Gase zu den Proben geleitet, die auf dem Weg zur Probe bzw. an der Probenoberfläche chemisch reagieren. Ein Teil der chemisch reagierten Substanzen bleibt an der Oberfläche und bildet die Schicht.

Anlagentechnologien

Das Institut hat zur physikalischen Gasphasenabscheidung Anlagen zur Kathodenzerstäubung ("Sputtern") im Gleichstrom(DC)- , im Puls- und im Hochfrequenz (RF-)-Betrieb, sowie Elektronenstrahlverdampfung. Beide Prozesse können auch reaktiv, d.h. in Anwesenheit eines Gases, mit dem das Material in der Gasphase reagieren kann, durchgeführt werden. Zur Einstellung der Morphologie können die Beschichtungen bei Temperaturen bis 800 °C und wahlweise mit zusätzlicher Ionenunterstützung erfolgen.    

Die Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung erlaubt den Einsatz metall-organischer Vorstufen (sog. Prekursoren; diese Verfahren heißt dann auch MO-CVD) sowie eine Prozessführung, bei der die Schichten in einzelnen aufeinander folgenden Atomlagen aufgebaut wird (engl. atomic layer deposition, kurz: ALD).



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