Photonik-Patente

In Kooperation mit dem Technologie-Lizenz-Büro der Baden-Württembergischen Hochschulen (TLB) veröffentlicht Photonics BW hier regelmäßig aktuelle Pressemitteilungen und Abstracts zu Patenten aus der Photonik.

Die Photonik als Schlüsseltechnologie stellt für Bereiche wie den Maschinenbau, die Medizin- und Elektrotechnik sowie die Telekommunikation innovative Lösungen bereit. Profitieren Sie von bereits existierenden Technologien und Prozessen.

Bei Interesse an einzelnen Lösungen können Sie sich gerne jederzeit an die Photonics BW Geschäftsstelle oder an Ansprechpartner des TLB wenden. Auf der Suche nach speziellen Lösungen stehen wir Ihnen gerne mit unserem Netzwerk zur Verfügung.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat eine eigene Online-Plattform für Technologieangebote, Erfindungen und Patente des KIT. Hier finden Sie die Online-Technologiebörse des KIT: https://www.kit-technology.de/

Technologie-Lizenz-Büro (TLB) 
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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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Das Verfahren wurde entwickelt, um im industriellen Maß- stab Solarzellen herzustellen, deren Oberfläche auf der Frontseite eine mikroskopisch kleine, pyramidenförmige Struktur aufweist und zugleich auf der Rückseite eine geglättete Textur, um maximale Lichteinkopplung zu gewährleisten. Während des Glättens wird gleichzeitig der para¬- sitäre Emitter auf der Rückseite der Solarzelle entfernt.

Durch das nasschemische Glätten der texturierten Rückseite von Solarzellen lässt sich einfach und effektiv die Leistung von Solarzellen steigern. Durch die abgerundeten Kanten erhöht sich die Rückseitenreflexion. Gleichzeitig wird der parasitären Emitter auf der Rückseite entfernt. Die notwendige Textur der Vorderseite wird durch eine Ätzbarriere geschützt. Es werden ausschließlich kostengünstige, in der industriellen Fertigung etablierte Technologien verwendet.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Monokristalline Siliziumscheiben für die industrielle Fertigung von Solarzellen werden hauptsächlich mit dem CzVerfahren (Czochralski-Verfahren) hergestellt, da dieses kostengünstiger ist, als das FloatZone-Verfahren. Das Cz-Ziehverfahren hat allerdings den Nachteil, dass das mit Bor dotierte Silizium Sauerstoff aufnimmt, was bei späterem Betrieb der Solarzellen zu Degradation führt, d.h. unter Sonnenbestrahlung sinkt der Wirkungsgrad einer Solarzelle aus Cz-Silizium innerhalb weniger Stunden um mehr als 1 % absolut. Die vorliegende Technologie bietet – integriert in den herkömmlichen Fertigungsprozess – die Möglichkeit, den Wirkungsgrad der Solarzelle auf annäherndem Ausgangs-Niveau zu stabilisieren.

Die Technologie wurde entwickelt, um die lichtinduzierte Degradation (LID), die Solarzellen aus Cz-Silizium in den ersten Stunden unter Betriebsbedingungen erfahren, zu einem großen Teil und mit anhaltender Wirkung aufzuheben. Dabei werden die Zellen bei Temperaturen von bis zu 230 Grad unter Lichteinfluss oder durch das Anlegen von Spannung nachhaltig regeneriert. Das Verfahren kann leicht in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden und verspricht eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber herkömmlich produzierten Solarzellen aus Cz-Silizium von bis zu 5 % relativ.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Busbarfreie Solarzellen versprechen aufgrund reduzierter Rekombination, reduzierter Abschattung und reduzierten Serienwiderstandes einen höheren Wirkungsgrad als Solarzellen, bei denen der Stromabtransport über breite Sammelleiterbahnen (Busbars) erfolgt.

Wissenschaftler der Universität Konstanz entwickelten eine Messvorrichtung zur nicht-permanenten Kontaktierung von busbarfreien Solarzellen, durch die eine genaue und direkte Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften ermöglicht wird. Hierbei kann für die Messung jeder einzelne Kontaktfinger der Solarzelle mehrfach über reversibel lösbare Verbindungen kontaktiert werden, wodurch korrekte Strom-Spannungs-Kennlinien aufgezeichnet werden können, ohne dass eine nachträgliche Bereinigung mit Korrekturfaktoren notwendig ist.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die elektrischen Eigenschaften von busbarfreien Solarzellen zu bestimmen und korrekte Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V-Kennlinien) aufzuzeichnen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Klassifizierung solcher busbarfreien Solarzellen auch im industriellen Maßstab.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Das Fehlen der Frontkontakte bei Rückkontakt-Solarzellen vermeidet ganz allgemein Verluste durch Abschattung auf der Vorderseite. Da sich sowohl p- als auch n-Kontakte auf der Rückseite der Solarzelle befinden, müssen diese voneinander isoliert werden, gleichzeitig sollen die Solarzellen möglichst verlustfrei verschaltet werden.

An der Universität Konstanz wurde eine neue Methode zur Kontaktierung von Rückkontakt-Solarzellen entwickelt, die sich insbesondere für die drahtbasierte Verschaltung von IBC-Solarzellen anbietet. Die vorliegende Erfindung bietet einen neuen Ansatz, insbesondere für die Rückseitenkontaktierung von IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact Solar Cells): Einerseits werden durch das vereinfachte Kontaktdesign Kosten gespart, andererseits steigt die Effizienz der Solarzelle durch das Fehlen der rückseitigen Busbars.

Die Kontaktierung erfolgt durch schmale Tabbings oder Drähte mit hohem Leitwert, die rechtwinklig zu den Kontaktfingern geführt werden. Dabei verlaufen die Drähte alternierend durch sehr schmale Lücken in den Kontaktfingern (bspw. n-dotierte Kontaktfinger) und kontaktieren die Kontaktfinger der anderen Dotierung (bspw. p-dotierte Kontaktfinger).

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Monokristalline Solarzellen, die nach dem Czochralski-Verfahren (Cz-Verfahren) vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden, erleiden in den ersten Stunden unter Sonneneinstrahlung erhebliche Wirkungsgradeinbußen von zum Teil 1 % abs. und mehr. Dieser Effekt wird Light-Induced-Degradation (LID) genannt. Da Solarzellen und Module nach ihrer Leistung verkauft werden, steckt in der Aufhebung des LID ein erhebliches wirtschaftliches Potential.

2006 bereits wurde an der Universität Konstanz ein einfaches Verfahren zur Regeneration der Solarzellen entwickelt, welches bei moderaten Temperaturen und Lichteinstrahlung sehr gut funktioniert. Dieses bekannte Verfahren wurde nun entscheidend weiter entwickelt und modifiziert: Schon während der Herstellung wird die Degradation der Cz-Silizium-Solarzellen weitgehend aufgehoben. Die Regeneration wird bei deutlich höheren Temperaturen als bisher und unter Einsatz von aus Siliziumnitrid eindiffundierten Wasserstoff durchgeführt und gewinnt dadurch erheblich an Effizienz und Geschwindigkeit. Idealerweise schließt sich dieser Prozess in der Produktion an den Ko-Feuerungsschritt an.

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Die Vorderseite von Solarzelle wird typischerweise geprägt von Leiterbahnen, so genannten Kontaktfingern und Sammelbussen. Ein effizientes Aufbringen dieser Strukturen ist in der industriellen Herstellung von Solarzellen von hohem wirtschaftlichem Interesse.

An der Universität Konstanz wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem mithilfe der Single Pulse Laser Interference Lithography sehr feine Metallstrukturen kostengünstig und mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand auf eine Solarzelle aufgebracht werden können. Dabei steht das komplette aufgebrachte Metall zur Bildung von bspw. Leiterbahnen zur Verfügung. Die extrem feinen Strukturen führen nicht nur zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzelle durch eine geringere Abschattung, sondern die Strukturierung kann auch die Einkopplung von Photonen an der Oberfläche der Solarzelle verbessern. Dadurch kann sich die Texturierung der Solarzellen-Vorderseite unter Umständen erübrigen.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Bei der Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle müssen sowohl negativ als auch positiv dotierte Bereiche auf der Rückseite der Solarzelle erzeugt werden. Weiterhin muss zur Minimierung der Oberflächenrekombination die Frontseite der Solarzelle ausreichend passiviert sein. Es werden also drei Bereiche mit unterschiedlichen Dotierungen benötigt.

Diese Bereiche können unter Nutzung der vorliegenden Erfindung gleichzeitig in einem einzigen Diffusionsprozess realisiert werden, wodurch eine einfache und kostengünstige Fertigung von Rückkontakt-Solarzellen, insbesondere IBC-Solarzellen, möglich wird.

Wissenschaftler der Universität Konstanz haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, mit dem diese drei Bereiche durch einen einzigen Diffusionsschritt erzeugt werden können. Möglich macht dies das Aufbringen einer Schicht aus Borsilikat-Glas und einer teilweisen Maskierung aus Silizium-Nitrid auf der Rückseite der Solarzelle.

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Bei der Herstellung von Solarzellen werden durch Einbringen von Dotanden gezielt Teilbereiche mit unterschiedlicher Polarität und mit unterschiedlich hoher Dotierung ausgebildet. Da das derart entstandene Dotierkonzentrationsprofil des Halbleiters meist nachträglich optimiert werden muss, werden darauffolgend die einzelnen Dotierungsbereiche in mehreren Schritten selektiv rückgeätzt. Ein neues Verfahren könnte es nun ermöglichen, die Rückätzung aller Dotierungsbereiche in einem einzigen ggf. maskierten Ätzschritt simultan durchzuführen.

Ein neues Verfahren könnte es nun ermöglichen, die Rückätzung aller Dotierungsbereiche in einem einzigen ggf. maskierten Ätzschritt simultan durchzuführen. Das Verfahren ist bei verschiedensten Solarzellenkonzepten anwendbar und verringert den Zeit-, Material- und Prozessaufwand.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

The innovative and versatile formulation platform provides highly conductive, printable pastes or inks free of polymeric or non-volatile organic additives/stabilizers. Such pastes may be used for all kind of printable electronic applications, especially for front side metallization of solar cells (inorganic material system) or even OLEDs (organic material system). The market for printable electronics is rapidly increasing thanks to fast and inexpensive production processes. Our new formulation concept delivers tailor-made products for such innovative fabrication technologies.

At the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), a new platform concept for the formulation of highly conductive, printable pastes has been developed. Corresponding pastes are free of polymeric or other non-volatile stabilizers and rheology control agents. Nevertheless, rheological properties like low-shear viscosity and yield stress can be adjusted in a wide range. Thus sedimentation /aggregation is prohibited and long-term stability can be guaranteed even for suspensions of high density particles (e.g. Ag, Ni). Also full control of the application behavior in many different printing/coating operations is furnished.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Eine zuverlässige und permanent integrierbare Temperaturüberwachung an Ober- bzw. Grenzflächen liefert für viele technische Prozesse eine wichtige Kenn- und Regelgröße. Je zuverlässiger und präziser das Messobjekt abgebildet werden kann, desto effektiver kann die Prozesssteuerung optimiert werden. Dies gilt ebenso für die Prototypentwicklung wie für fest integrierte, temperaturabhängige Steuerungen.

Die Erfindung beschreibt ein in die Oberfläche integriertes Thermoelement, welches nach dem Seebeck-Effekt arbeitet. Dabei werden zuerst rund 50 µm tiefe Gräben in die Oberfläche des Messobjekts eingebracht, in welchen das Thermoelement und die Zuleitungen mittels leitfähigen Lacken durch Maskieren und Aufsprühen aufgebaut werden. Die Oberfläche des Werkstücks wird formschlüssig zur unbearbeiteten Oberfläche abgeschliffen, so dass Störungen der Oberflächenbeschaffenheit weitgehend ausgeschlossen werden. Diese Messvorrichtung ermöglicht eine kostengünstige und störungsfreie Messung der Oberflächentemperatur ohne lange Adaptationszeiten.

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In der Bildverarbeitung ist eine Kalibrierung der Bilderfassungssysteme zwingend erforderlich. In heutigen Kameras kommen häufig sog. CCD-Sensoren zum Einsatz, wobei jede Zelle einem Pixel entspricht. Auf diese Weise entsteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen räumlichem Bild und dessen perspektivischer 2D-Abbildung. Das Anwendungsspektrum umfasst neben Messsystemen zur Positionsbestimmung (z. B. in der Robotik) auch bildgebende Verfahren in der Medizintechnik oder industrielle Prüfverfahren. Stand der Technik Zur Kalibrierung solcher CCD-Sensoren werden heute Kombinationen aus Kalibrierungsmustern und mathematischen Modellen verwendet. Häufig müssen unterschiedliche Modelle kombiniert werden, um bspw. Verzerrungseffekte zu eliminieren. Trotzdem können die Randbereiche des Systems oft nicht fehlerfrei beschrieben werden.

Ein an der Hochschule Offenburg entwickeltes System zur Kalibrierung von Bilderfassungssystemen mit CCD-Sensoren beruht auf dem Prinzip, dass für jedes einzelne Pixel des CCD-Chips eine Gerade hinterlegt wird, die die Menge aller Punkte beinhaltet, die auf das jeweilige Pixel abgebildet werden. Jedes Pixel wird dabei unabhängig von allen anderen individuell kalibriert. Einsatzgebiete sind Messsysteme zur Positionsbestimmung und andere bildgebende Verfahren.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Die erfindungsgemäße Röntgenlinse erlaubt die Fokussierung von Röntgenstrahlen in einem Punktfokus von wenigen 10 µm Durchmesser und zeichnet sich außerdem durch hohe Transmissivität und geringe Absorptionsverluste aus. Sie ist vor allem interessant für Röntgenanalyseverfahren, für die eine hohe Strahlungsintensität benötigt wird, da im Fokus zehnfach erhöhte Strahlungsintensitäten erreicht werden. Sie ist aber nicht auf den Einsatz mit Röntgenstrahlung beschränkt, sondern kann auf elektromagnetische Strahlung beliebiger Wellenlänge angepasst werden.
Die Linsen sind einfach und damit kostengünstig herstellbar.

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Optische Fasern (Lichtwellenleiter) eignen sich besonders für Datenübertragung über lange Strecken, da die Dämpfungsverluste wesentlich geringer sind, als z.B. bei Kupferleitern. Der Anspruch an geringe Dämpfungswerte bedeutet auch, dass beim Verbinden der Fasern durch Spleißen die Kopplungsverluste so gering wie möglich gehalten, d.h. die Faserenden genau (Sub-µm-Bereich) aufeinander ausgerichtet und formgetreu gefügt werden.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben nun ein Verfahren zum Verbinden von Festkern- und Hohlkernfasern entwickelt, das sich durch geringe Kopplungsverluste auszeichnet und einfach und flexibel in der Handhabung ist. Insbesondere ist es auch für flüssigkeitsgefüllte Hohlkernfasern geeignet. Das Verfahren ermöglicht die Verbindung von Fasern unterschiedlicher Durchmesser sowie ein dauerhaftes, verlustarmes Fügen der Fasern ohne Hitzeeinwirkung.

Die erfindungsgemäße Spleißtechnik bietet eine einfache, adaptierbare Möglichkeit, Fest- und Hohlkernfasern unterschiedlicher Stärke zu verbinden. Sie ist auch zur Verbindung hitzeempfindlicher Fasern einsetzbar, da die permanente Verbindung der Fasern ohne Anschmelzen erfolgt.

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Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde eine Methode für die Durchführung von Tiefenscans entwickelt, mit der - unabhängig vom Dynamikbereich des AD-Wandlers - der komplette Empfindlichkeitsbereich der analogen Komponenten eines OCT-Systems genutzt werden kann.
Durch den Einsatz einer adaptiv analogen Signalverarbeitungseinheit wird das Rückstreusignal aus der Probe in Abhängigkeit von der Abtasttiefe aufbereitet, bevor es in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dies stellt sicher, dass auch die Daten der schwächeren optischen Signale zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen. Das ursprüngliche Signal kann durch eine eineindeutige Abbildungsvorschrift rekonstruiert werden. Durch die erfindungsgemäße Technologie werden die Aufzeichnung von Rückstreuprofilen mit großen Leistungsvariationen und die Detektion von Streuereignissen auch in großer Probentiefe und stark streuenden Medien möglich.

Die erfindungsgemäße Technologie ist für Medizintechnik, Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik interessant. Auch in stark streuenden und absorbierenden Medien können innerhalb eines einzigen Tiefenscans (A-Scans) gleichzeitig Streuereignisse von der Oberfläche des Probenmaterials sowie aus großen Volumentiefen detektiert werden.

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Die Erfindung der Frequenzkammquelle hat es erstmals möglich gemacht, Frequenzen von Lichtwellen direkt zu messen, statt sie von der Wellenlänge abzuleiten. Dies eröffnet auch in der optischen Distanzmessung neue Möglichkeiten für hochgenaue Messungen. Ein Problem stellte bislang jedoch die Tatsache dar, dass der Eindeutigkeitsbereich bei steigender Messgenauigkeit sinkt.
Am Karlsruher Institut für Technologie wurde nun ein Messverfahren entwickelt, das die Distanzmessung mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich auch über kilometerlange Strecken ermöglicht. Durch die Nutzung von zwei Frequenzkämmen mit unterschiedlichen Linienabständen, die Erzeugung von Schwebungssignalen und die geschickte Auswertung von Phasenverschiebungen kann der maximale Messbereich auch bei großem Linienabstand der einzelnen Frequenzkämme prinzipiell beliebig vergrößert werden, ohne den Eindeutigkeitsbereich der Messung einzuschränken.

Der Bedarf an hochpräziser Distanzmessung besteht in allen Bereichen der industriellen Messtechnik, insbesondere in der Maschinenbau- und Automobilbranche sowie in der Luft- und Raumfahrt.

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Wissenschaftler der Hochschule Aalen - Technik und Wirtschaft entwickelten eine Vorrichtung zur Probenrotation, die in Verbindung mit unterschiedlichen Mikroskopie-Verfahren - auch Lichtscheibenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie - eingesetzt werden kann. Damit wird es erstmals möglich, eine 3-dimensionale Probe unter Nutzung vorhandener Mikroskope von allen Seiten zu betrachten. Da die Probe ihre Position in Bezug auf das Mikroskop nicht verändert, eröffnen sich, beispielsweise in Kombination mit Single Plane Imaging, neue Möglichkeiten bei der 3-D-Rekonstruktion von Proben.

Die vorliegende Erfindung bietet eine einfache und damit kostengünstige Möglichkeit, dreidimensionale Proben zu untersuchen, ohne dass sich die Position der Probe in Bezug auf das Mikroskop verändert.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Terahertz-Strahlung findet zunehmend Eingang in kommerzielle Anwendungen. Insbesondere der Einsatz in Sicherheitstechnologien wird intensiv geprüft. Denn hier ist die Verträglichkeit der Strahlung für den Menschen von wesentlicher Bedeutung und, dass Terahertz-Strahlung Materialien wie Stoff, Papier oder Kunststoffe leicht durchdringt. Ebenfalls großes Potential bietet die Terahertz-Strahlung in der Spektralanalyse, da Gase und Festkörper im THzFrequenzbereich einen spektralen Fingerabdruck aufweisen, anhand dessen man Stoffe berührungslos und schnell detektieren bzw. Stoffgemische und deren Wassergehalt analysieren kann.

Das neu entwickelte Konzept für Terahertz-Strahlungsquellen bietet die Möglichkeit, in Kombination mit einem Kurzpulslaser (Festkörper- oder Faserlaser) mit hoher Effizienz Terahertz-Strahlung zu erzeugen, und zwar ohne externe elektrische Felder.

Kontakt: Dr.-Ing. Hubert Siller (hsiller(at)tlb.de), Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH

Von der Grundidee zur technischen Realisierung: Universität Konstanz investierte zehn Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Eine der großen Herausforderungen beim Thema „Regenerative Energie“ ist eine noch effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Rohstoffe. Gerade bei der Stromgewinnung aus Sonnenlicht wird stetig an einer noch besseren Ausbeute geforscht. So hat sich in den vergangenen zehn Jahren der Wirkungsgrad von Solarzellen ständig verbessert. Vor rund 15 Jahren wurden durch Solarzellen maximal ca. 15 Prozent der Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt. Mittlerweile konnte der Wirkungsgrad auf ca. 20 Prozent gesteigert werden.

Dieser Wirkungsgrad wird allerdings nur mit monokristallinen Solarzellen erreicht. Diese werden überwiegend nach dem Czochralski(Cz)-Verfahren hergestellt, das gängigste Verfahren, mit denen monokristalline Solarzellen für den Weltmarkt hergestellt werden. Allerdings gibt es bei diesen Cz-Solarzellen unter Betriebsbedingungen den so genannten Effekt der Licht-induzierten Degradation (LID), infolge dessen der Wirkungsgrad einer Solarzelle aus Cz-Silizium innerhalb weniger Stunden unter Sonnenbestrahlung deutlich sinkt. Je nach verwendetem Material und Herstellungsprozess kann dies mehr als ein Prozent absolut Wirkungsgradverlust ausmachen.

Forscher der Abteilung für Photovoltaik der Universität Konstanz haben bereits 2006 eine Methode präsentiert, diesen Degradations-Effekt umzukehren bzw. rückgängig zu machen. Das von Axel Herguth, Svenja Wilking und Professor Giso Hahn über die Jahre weiter entwickelte und optimierte Verfahren lässt sich problemlos in bestehende Fertigungsprozesse integrieren. Dabei machten sich die Wissenschaftler zunutze, dass degradierte Solarzellen sich regenerieren lassen, wenn die Zellen bei Temperaturen über 100 Grad beleuchtet werden. Alternativ kann die Regeneration auch ohne Beleuchtung durch Anlegen einer Spannung erreicht werden.

Das Verfahren kann zu verschiedenen Zeitpunkten im Fertigungsablauf integriert werden, bei Solarzellen beispielsweise direkt nach dem Ko-Feuerungsschritt in der Produktionslinie oder auch separat am Ende des Herstellungsprozesses. Denkbar ist auch, dass die Regeneration erst bei fertigen Modulen angewendet wird.

Das wirtschaftliche Potential der Regeneration ist enorm: Wird der Degradationsverlust von einem Prozent absolut dadurch fast vollständig aufgehoben, bedeutet dies einen Ertragsgewinn bezogen auf die zusätzliche Leistung von ca. fünf Prozent, bei einer 100 MWp-Linie also deutlich über eine Million Euro pro Jahr. „Damit ist der Return of Invest innerhalb weniger Monate gewährleistet, was die wirtschaftliche Attraktivität und die industriellen Einsatzchancen dieser wegweisenden Technologie enorm erhöht“, führt Professor Hahn aus, der die Photovoltaik-Aktivitäten an der Universität Konstanz leitet.

Patente für das Verfahren und den Regenerationsofen wurden in den wichtigsten Industrienationen und Regionen wie USA, Europa und China bereits erteilt. Inzwischen werden erste Anlagen mit dem patentierten Verfahren auch in der Produktion eingesetzt. Allerdings dürfte es inzwischen auch eine Reihe von Nachahmer-Produkten auf dem Markt geben. „Die Patente der Universität Konstanz hier durchzusetzen wird unsere Hauptaufgabe der kommenden Jahre“, meint dazu Dr.-Ing. Hubert Siller, der zuständige Innovationsmanager bei TLB.

Dieses bekannte Verfahren wurde in den letzten beiden Jahren an der Universität Konstanz durch die Forscher Axel Herguth und Svenja Wilking entscheidend weiter entwickelt und modifiziert: Durch eine verbesserte Prozessführung während des Ko-Feuerschrittes lässt sich die Regeneration deutlich schneller durchführen. Dies erklären die Forscher u.a. mit der größeren Menge an freigesetztem Wasserstoff, der aus der Siliziumnitrid-Antireflexschicht während des Feuerschrittes in das Silizium abgegeben wird. Dadurch lässt sich der Prozess deutlich beschleunigen, gewinnt erheblich an Effizienz und kann z.B. im Inline-Verfahren in der industriellen Massenfertigung eingesetzt werden. Idealerweise schließt sich dieser Prozess in der Produktion an den Ko-Feuerungsschritt an oder kann sogar in diesen integriert werden. Professor Hahn sieht optimistisch in die Zukunft: „Wir gehen davon aus, dass das bei uns entdeckte und entwickelte Regenerations-Verfahren fester Bestandteil vieler neuer Solarzellen-Produktionslinien sein wird, da sich damit hohe und unter Beleuchtung stabile Wirkungsgrade erzielen lassen, die derzeit vom Markt nachgefragt werden. Aber auch bestehende Produktionslinien lassen sich relativ einfach mit der Regenerations-Technologie nachrüsten.“

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Konstanz bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt. Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Hubert Siller, Mail: siller(at)tlb.de

Die Echtheit eines Produktes mittels Smartphone überprüfen und erkennen

Ob teure Sportschuhe, Markenkleidung, Medikamente oder Bremsbeläge fürs Auto – Produktfälschungen können mit bloßem Auge oft nur schwer vom Original unterschieden werden.

Durch Produktpiraterie entstehen in Deutschland hohe Umsatzverluste – mit steigender Tendenz. Damit steigt auch die Notwendigkeit, hochsichere Maßnahmen zu entwickeln, mit deren Hilfe Originale preisgünstig aber auch unaufwendig authentifiziert werden können.

Am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart wurde nun ein System mit einer Mikrolinse entwickelt, die eine Überprüfung durch den Käufer selbst ganz einfach möglich machen soll. Die Methode ermöglicht es dem Endbenutzer, Produkte direkt beim Kauf im Laden in Sekundenschnelle zu überprüfen und Fälschungen zu erkennen. Der Käufer braucht dafür lediglich ein gewöhnliches handelsübliches Smartphone mit Kamera ohne weitere Zusatzeinrichtungen.

Bei der von Dr. Tobias Haist entwickelten Methode wird eine kleine Mikrolinse aus Kunststoff an einem beliebigen Produkt angebracht. Der Kaufinteressent kann mit der Kamera-Funktion des Smartphones diese Linse abfotografieren. Die Linse vergrößert die Oberflächenstrukturen des Produkts wie ein Mikroskop und liefert als Bild ein unverwechselbares und fälschungssicheres Merkmal des Produkts. Der Käufer kann anschließend das Foto über eine App mit der Datenbank des Herstellers abgleichen, wo die Strukturen hinterlegt sind.

Die Mikrolinse dient als optisches Fenster, hat einen Durchmesser von etwa einem halben Zentimeter und wird direkt auf das Produkt geklebt. Durch das Anhaften dieses Buttons aus Hartplastik an die Oberfläche des Produktes, kann die normale Smartphone-Kamera die unverwechselbaren Strukturen der Oberfläche erkennen und mikroskopisch vergrößern. Dadurch ist es möglich, diese Oberflächenstrukturen mit dem Smartphone abzufotografieren, sie dann über eine Datenbank im Internet abzurufen und die Strukturen miteinander zu vergleichen. Die Mikrolinse dient nicht selbst als Sicherheitsmerkmal, sondern ermöglicht in Zusammenhang mit dem Smartphone eine Erfassung von Zufallsmerkmalen der Produktoberfläche. Kopiert ein Fälscher das Produkt, zeigt das Bild eine komplett andere Struktur als die vom Hersteller als Referenz hinterlegte Struktur.

Die Mikrolinse soll am Rand des Produkts angebracht werden, so dass dessen zufällige Sicherheitsmerkmale nicht beschädigt werden. Die Erfindung umzusetzen, lohnt sich allerdings nur für eine große Produktionsmenge. Die Mikrolinse als solche dürfte dann in der Herstellung nur wenige Cents kosten. Ob eine Entfernung der Mikrolinse nach dem Kauf möglich ist, hängt auch vom Produkt ab.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt. Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Hubert Siller, Mail: hsiller(at)tlb.de

Optische Kompensation von Winkelfehlern macht zusätzliche Elektronik überflüssig

Vor allem im Maschinenbau oder in Antrieben werden Drehwellen unterschiedlichster Art eingesetzt. Die Einstellung und die Positionserkennung von Drehwellen benötigt Drehwinkelsensoren. Jeder dieser Drehsensoren hat jedoch einen Winkelfehler, weil es sehr schwierig ist, die Sensoren genau zu justieren. Diese Fehler mussten bisher aufwändig elektronisch kompensiert werden, zum Beispiel durch einen zweiten Auslesekopf.

Am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart wurde nun ein neuartiger Drehwinkelsensor entwickelt, der die Winkelfehler optisch kompensiert und so eine zusätzliche Elektronik bzw. aufwändige Justage überflüssig macht. Mit diesem neuartigen Sensor können die Position exakt bestimmt und Drehwinkel genau eingestellt werden.

Das Grundprinzip von optischen Drehwinkelsensoren basiert auf einer drehbar gelagerten Welle, auf der eine Kodescheibe fixiert ist. Ein so genannter Schlag der Maßspur entsteht durch eine Dezentrierung der Scheibenachse zur Wellenachse und führt zu einem Winkelmessfehler. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, muss die Kodierscheibe möglichst genau zur Welle zentriert werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Montage und ist daher teuer. Und trotz des hohen Aufwands kann ein geringer mechanischer Zentrierfehler nie ganz vermieden werden.

Bei der von David Hopp, Christof Pruß und Wolfgang Osten am Institut für Technische Optik entwickelten Drehwinkelsensor wird der Einfluss durch einen Schlag der Kodierscheibe schon vor der Generierung des Sensorsignals optisch korrigiert. Dies wird durch eine zweite so genannte Kompensationsspur erreicht, welche sich zentriert zur Maßspur auf einem anderen Radiusbereich der drehenden Kodierscheibe befindet. Diese Kompensationsspur lenkt das Ausleselicht auch bei starker Exzentrizität der Kodierscheibe automatisch immer auf die richtige Winkelposition der Kodierspur. Der Winkelfehler wird damit bereits vor der Signalentstehung optisch kompensiert, d.h. es wird direkt die korrekte Winkelposition ausgelesen. Der Winkelfehler wird um etwa vier Größenordnungen gegenüber einem unkompensierten System reduziert.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt. Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Florian Schwabe, Mail: schwabe(at)tlb.de

An der Universität Konstanz entwickelte Screening-Methode beleuchtet die Entstehung von Ribosomen

Die Diskussion über multiresistente Krankenhauskeime hat es wieder gezeigt: Es fehlt derzeit noch an neuen Antibiotika-Wirkstoffen, die beispielsweise auch bei resistenten Bakterien wirken. Mit einem neu entwickelten Verfahren könnten solche neuartigen antimikrobiellen Wirkstoffe aufgespürt werden. Diese wirken gezielt bei der Ribosomen-Entstehung ein und gelten daher als ideale Kandidaten für Antibiotika.

Bakterielle Ribosomen sind Ribonukleoproteinpartikel, die im Wesentlichen aus 54 Proteinen und drei ribosomalen RNAs (rRNA) bestehen. Ribosomen spielen bei der Proteinbiosynthese, d.h. der Neubildung von Proteinen in Zellen, die zentrale Rolle. Der hierarchische und genau gesteuerte Entstehungsprozess von Ribosomen in der lebenden Zelle wird als Ribosomen-Assemblierung bezeichnet und ist vergleichsweise wenig erforscht. In den Augen vieler Experten stellen frühe Prozesse in der Ribosomen-Entstehung attraktive Ziele für antimikrobielle Wirkstoffe dar. Neben Biogenesefaktoren (nicht ribosomale Proteine, die bei der Ribosomen-Assemblierung mitwirken) sind auch ribosomale Proteine ein potenzielles Ziel. Wirkstoffkandidaten wären beispielsweise kleine Moleküle, welche die Aktivität von Biogenesefaktoren und ribosomalen Proteinen beinflussen oder die Bildung oder Auflösung bestimmter Strukturen in der rRNA behindern. Die rRNA gilt als besonders interessanter Angriffspunkt, weil sie in Bakterien von Genen codiert wird, die in mehrfacher Kopienzahl vorliegen. Das Risiko einer Resistenzbildung wäre somit stark vermindert.

Bislang gibt es aber keine Antibiotika auf dem Markt, die primär die Entstehung der Ribosomen hemmen. Die systematische Suche nach solchen Substanzen wird durch die Tatsache erschwert, dass bislang kein geeignetes Screening-Verfahren existierte.

Wissenschaftlern der Universität Konstanz ist es kürzlich gelungen, Bakterienstämme mit Fluoreszenz-markierten, ribosomalen Untereinheiten herzustellen, die Wildtyp-ähnliche Wachstumseigenschaften zeigen und einen intakten Translationsapparat zu Synthese von Proteinen aufweisen. Prof. Elke Deuerling vom Institut für Molekulare Mikrobiologie und Dr. Rainer Nikolay, der mittlerweile an der Berliner Charité forscht, entwickelten zunächst Bakterienstämme mit unterschiedlichen Fluoreszenz-Markierungen. Anschließend konnten sie mit dem neuen Screening-Verfahren aufzeigen, dass die Positionierung der Fluorophore es ermöglicht, Störungen bei der Ribosomen-Assemblierung durch ein Fluoreszenz-basiertes Ausleseverfahren in vivo zu ermitteln. Das Verfahren wurde für die Nutzung von Mikrotiter-Platten optimiert und eignet sich deshalb für die Durchführung von Hochdurchsatz-Screenings (HTS).

Mit diesem neu entwickelten Verfahren könnten neuartige Wirkstoffe identifiziert werden, die die Ribosomen-Entstehung hemmen. Außerdem könnten der Grundlagenforschung neue Werkzeuge zur Verfügung stehen und gleichzeitig die Basis für neuartige antimikrobielle Leitsubstanzen geschaffen werden.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH betreut die Patentierung der Erfindung und ist mit der Lizenzierung und Vermarktung der Innovation beauftragt.

Weitere Informationen erteilt TLB-Innovationsmanagerin Dr. Uta Weirich (uweirich(at)tlb.de).

In Bibliotheken, Datenbanken oder auf Servern müssen immer größere Datenmengen verarbeitet werden. Dabei sollen möglichst viele Nutzer gleichzeitig zugreifen können –mit hoher Transfer-Rate. An der Universität Stuttgart wurde ein Verfahren erfunden, das es ermöglicht, große Datenmengen sehr schnell optisch auszulesen.

In der gewerblichen Nutzung besteht ein erhöhter Bedarf an robusten Speichermedien, die eine hohe Speicherdichte und eine Speicherkapazität im Terabyte-Bereich haben. Je mehr Anfragen gleichzeitig beispielsweise an Downloadserver, Backup-Server oder Datenbanken mit Video- und Bilddateien gestellt werden, desto höher sind die Anforderungen an die Auslese-Geschwindigkeit.

Am Institut für Technische Optik von Prof. Dr. Wolfgang Osten machte ein Team um Dr. Klaus Körner einen Vorschlag für einen optischen 3-D-Datenspeicher zum schnellen Auslesen großer Datenmengen. Das Auslesen von bis zu 100 übereinander liegenden Schichten in einem optischen Volumenspeicher ermöglicht eine sehr hohe Datentransferrate, wie sie beispielsweise für Datenbanken oder bei der Datensicherung benötigt wird. Auch die Speicherung von Filmen, 3-D-Filmen oder historischen Daten wäre damit problemlos möglich. Als Datenträger können modifizierte DVDs verwendet werden.

Herkömmliche optische Datenträger haben eine vergleichsweise geringe Speicherkapazität. Bestehende Ansätze, Vielschichten-Speichermedien optisch auszulesen, konnten sich aufgrund von zu geringer Effizienz oder schwankender Datenqualität nicht durchsetzen. Das Verfahren verbindet erstmalig die Möglichkeiten der Spektralinterferometrie mit denen der konfokalen Technik. Damit kann ein optischer Terabyte-Volumenspeicher mit hohen Stabilität und hoher Datentransfer-Rate ausgelesen werden.

Mechanisch hergestellte, also gepresste, CDs oder DVDs sind ein sehr robustes und langfristiges Medium und eignen sich sehr gut für Backups oder für Archive. Allerdings enthalten diese Speichermedien bislang nur zwei Schichten. Auf ein Speichermedium mit bis zu 100 Schichten könnte man eine sehr große Datenmenge in speichern. Das von Dr. Klaus Körner und seinem Team entwickelte Verfahren ist in der Lage, optische Merkmale in verschieden tiefen Volumenbereichen simultan zu erfassen.

Dabei weist das High-Speed-Verfahren eine hohe Robustheit gegenüber Vibrationen während des Auslesevorgangs auf und ermöglicht die simultane Erfassung optischer Merkmale in verschieden tief liegenden Volumenbereichen. Prinzipiell ist das Verfahren auch bei optisch beschreibbaren Datenspeichern zur Datenaufzeichnung anwendbar.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH betreut die Patentierung der Erfindung und ist mit der Lizenzierung und Vermarktung der Innovation beauftragt.

Weitere Informationen erteilt TLB-Innovationsmanager Dr.-Ing. Florian Schwabe (fschwabe(at)tlb.de).

Eine der großen Herausforderungen im Bereich Elektromobilität ist die effektive und zuverlässige Speichermöglichkeit für elektrische Energie im Fahrzeug. Nicht nur die Diskussionen um manipulierte Abgaswerte und regelmäßige Feinstaubwarnungen in Städten wie Stuttgart haben gezeigt, dass neue Lösungen für die Mobilität der Zukunft gefunden werden müssen.  

 

In den vergangenen Jahren wurden bereits große Fortschritte im Bereich der Elektromobilität gemacht. Was immer noch fehlt, sind effiziente, kleine und stabile Stromspeicher. Bislang werden in Elektroautos entweder Lithium-Ionen-Akkus oder Metall-Hydrid-Akkus eingesetzt. Letztere sind zwar weniger effektiv als die Lithium-Ionen-Akkus, dafür aber wesentlich billiger.

Für mobile Anwendungen ist ein möglichst kleiner Stromspeicher mit höherer Kapazität erwünscht. Prädestiniert dafür wäre in diesem Bereich ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Silizium-Anode. Bisher werden in Lithium-Ionen-Akkus überwiegend Anoden aus Graphit eingesetzt. Denn die Silizium-Anode bietet zwar eine hohe Ladekapazität, hat aber einen großen Nachteil: Beim Laden und Entladen verändert sich ihr Volumen zum Teil um das Dreifache. Dies führt zu mechanischen Belastungen, die die Anode nach wenigen Ladezyklen zerstören.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelten nun zwei neue Verfahren, um Silizium in diesem Bereich einsetzen zu können. Die beiden Arbeitsgruppen arbeiteten daran, eine poröse Silizium-Anode herzustellen und zu stabilisieren und so eine hohe Ladezyklen-Festigkeit zu erreichen.

Am Institut für Photovoltaik (IPV) der Uni Stuttgart gelang es Prof. Dr. Jürgen H. Werner und seinem Team, poröse und somit mikrostabilisierte Silizium-Anoden herzustellen. Diese Mikrostabilisierung kann in einem einfachen Verfahrensschritt durch lokale Laserbestrahlung erfolgen.

Die Halbleiterschichten werden dazu durch Vakuumverfahren – beispielsweise PECVD oder Sputtern – auf eine Metallfolie aufgebracht. Bei Bedarf werden zur Erhöhung der Materialstärke mehrere Layer nacheinander abgeschieden. Die so erzeugte kompakte Schicht wird durch lokale Laserbestrahlung aufgebrochen, so dass letztlich eine poröse Siliziumschicht entsteht, die anschließend mikrostabilisiert wird. Zusätzlich können durch lokales Laserbestrahlen unterschiedlich dotierte Bereiche in der Siliziumschicht erzeugt. Vor allem p-dotierte Bereiche auf einer n-dotierten Halbleiterschicht wirken als Stützbereiche, da sie weniger Lithium-Ionen einlagern als die n-dotierten Bereiche. Dadurch wird das Aufquellen verhindert und die mechanische Stabilität der Anode erhöht.

Die beschichtete Folie wird abschließend metallisiert und kontaktiert. Durch dieses Verfahren kann einfach und kostengünstig eine Batterie mit einem großen Anteil an aktivem Material und hoher Energiedichte hergestellt werden.

Das zweite Verfahren wurde am Lehrstuhl II des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart (Prof. Dr. Guido Schmitz, ehemaliger Stellvertreter Prof. Dr. Horst Strunk) entwickelt und setzt ebenfalls am Problem der mechanischen Belastung einer Silizium-Anode in einem Li-Ionen-Akku an. Den Wissenschaftlern gelang es, eine Struktur zu entwickeln, die eine hohe mechanische Belastbarkeit auch bei mehreren hundert Ladezyklen aufweist und im Durchlaufverfahren produziert werden kann. In diesem Verfahren wird die Oberfläche eines elektrischen leitfähigen Substrates z.B. eine Metallfolie oder eine leitfähige Polymerfolie mit Silizium beschichtet. Auf der Silizium-Schicht wird eine weitere, metallhaltige Schicht aus Aluminium aufgebracht. Daraufhin erfolgt eine Wärmebehandlung, bei der Temperatur und Dauer so optimiert werden, dass eine partielle Interdiffusion von beiden Materialien stattfindet und der Halbleiter zumindest teilweise in den kristallinen Zustand übergeht. Im letzten Schritt werden Teile der metallhaltigen Schicht an der Oberfläche über ein nasschemisches Verfahren entfernt. Nebenbei bildet sich eine konforme Aluminiumoxid-Funktionsschicht auf der nanostrukturierten porösen Silizium-Schicht, die als Anodenmaterial in einem Li-Ionen-Akku eingesetzt eine hohe Stabilität aufweist. Erste Versuche mit dem Labormodell eines Li-Ionen-Akkus zeigten bereits, dass die Kapazität ohne größere Optimierungen auch nach 500 Ladezyklen stabil bei ca. 1650mAh/g lag, mehr als das Vierfache des für heutige Lithium-Ionen-Akku mit Graphit-Anode üblichen.

Die Patente für diese Erfindungen wurden in Europa und USA angemeldet und sind anhängig. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovationen. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologien beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit oder Lizenzierung.


Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Hubert Siller (siller(at)tlb.de).

Photodioden-gesteuerte Regelung verhindert den Durchbruch der pn-Übergänge

 

Schnelle integrierte Schaltungen (IC) werden in der angewandten Elektronik vielfach eingesetzt. Bei besonders belasteten schnellen oder leistungsstarken Komponenten in der Schaltung besteht jedoch oft die Gefahr des Durchbruchs, z. B. in Oszillator-Schaltungen (Radaranlagen, etc.) oder „smart power“ Schaltungen. An den in allen Bauelementen vorhandenen pn-Übergängen tritt der Durchbruch ab einer kritischen Feldstärke auf. Die Schaltung wird dadurch zerstört oder unbrauchbar. Um dies zu verhindern, entwickelten Professor Erich Kasper und Michael Morschbach am Institut für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart eine neue Lösung. Damit wird die Echtzeitüberwachung der Bauteile ermöglicht und durch eine integrierte Regelungseinheit ein Durchbruch verhindert.

Zurzeit kann der Durchbruch nur durch eine externe Spannungs- oder Strombegrenzung der ganzen Schaltung (IC) verhindert werden. Um individuelle Schwankungen des Bauelements und Temperatureffekte zu berücksichtigen, schränken bisherige Lösungen den sicheren Betriebsbereich (SOA safe operating area) aber stark ein. Dadurch kann wiederum die Leistung nicht voll ausgeschöpft werden.

Die Durchbruchüberwachung der Erfindung wird in Echtzeit durch eine in das Halbleiterbauteil (IC) integrierte Photodiode realisiert. Ein pn-Übergang emittiert während eines Durchbruchs immer optische Strahlung. Diese Lichtemission wird durch die in der unmittelbaren Nähe integrierte Photodiode erfasst. In Abhängigkeit dieser erfassten Strahlung wird dann die an den pn-Übergang angelegte Spannung bzw. der Strom geregelt. Bei Ansteigen der Lichtemission des pn-Übergangs über einen Grenzwert wird der Strom (Spannung) verringert, bis die optische Emission wieder unter dem Grenzwert liegt. Über diese Regelung wird ein vollständiger Durchbruch verhindert. Der Arbeitspunkt eines Transistors zum Beispiel kann somit unmittelbar vor den Durchbruch gelegt werden. Es ist möglich, in einer integrierten Schaltung mehrere durchbruchgefährdete pn-Übergänge zu überwachen. Die Regelungseinheit kann ebenfalls in das Halbleiterbauteil (IC) integriert werden.

Mithilfe dieser Überwachung lässt sich - ohne die Gefahr einer Zerstörung - der Betriebsbereich ausweiten und die Leistungsausbeute erhöhen. Neben einer höheren Zuverlässigkeit von IC-s ist somit auch eine Vergrößerung des Betriebsbereichs der Transistoren und der integrierten Schaltungen möglich. Die Streuung der Bauelementedaten verursacht ebenfalls keine Probleme, weil ein bevorstehender Durchbruch erkannt und vermieden bzw. jeder Transistor an seine Durchbruchgrenze individuell gesteuert werden kann. Dadurch werden eine optimale Ausnutzung der Schaltungen, ein höherer Betriebstemperaturbereich, eine höhere Leistung und eine längere Lebensdauer möglich.

Die Erfindung ist besonders für Oszillator-Schaltungen sehr vorteilhaft. Solche Schaltungen sind heutzutage in Radargeräte für automobile Assistenzsysteme von verschieden Herstellern eingebaut. Eine sehr hohe Zuverlässigkeit ist aus Sicherheitsgründen hier unvermeidbar. Zuverlässigkeit ist auch ein Kernthema für Anwendungen in der Luftfahrt-, Raumfahrt Technologie sowie für „smart power“ in der Elektromobilität.

Die Patente für die Erfindung wurden bereits in Deutschland (DE 102007002820B3), USA (US8519732B2) und in Frankreich und Großbritannien (EP Patent) erteilt. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Lizenzierung bzw. Kauf der Patente.

Für weitere Informationen: Innovationsmanager Dipl.-Ing. Emmerich Somlo (esomlo(at)tlb.de).

 

Mit einem neuen Marker lässt sich schnell und einfach prüfen, ob Bauwerke aus Stahlbeton ausreichend vor Wasser und Salz geschützt sind.



Mit einem an der Hochschule Karlsruhe entwickelten neuen Marker lässt sich schnell und einfach prüfen, ob Bauwerke aus Stahlbeton ausreichend vor Wasser und Salz geschützt sind. Das Verfahren zur Qualitätskontrolle der Hydrophobierung ist erprobt und mittlerweile reif für den praktischen Einsatz.

Brücken und Tunnel haben eine lange Lebensdauer. Damit die teuren Bauwerke die nächsten 50 bis 100 Jahre gut überstehen, gilt es sie ausreichend zu schützen. Zu schaffen machen ihnen insbesondere Wasser und Salz. Sie können durch die Poren des Betons eindringen und zur gefürchteten Korrosion der Bewehrung führen. Dies zu verhindern ist die Aufgabe der Hydrophobierung, also des Schutzes des Betons gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Dazu verwendet man schon seit langem spezielle Silane, welche eine hydrophobe, das heißt wasserabweisende Wirkung haben und somit das Innenleben der Bauwerke schützen. Silane gehören zur Familie der siliziumorganischen Verbindungen, wobei dem Heimwerker ein anderer Vertreter dieser Gruppe, das Silikonharz, besser bekannt ist.

Das Einbringen der Silane in den Beton ist relativ einfach. Allerdings stellt sich danach die Frage, ob das Silan tief genug in die Randzone eingebracht wurde, was eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit einer Hydrophobierung ist. Das zu messen war bislang eine schwierige und kostenintensive Arbeit, bei der rund 70 Millimeter dicke und bis zu 10 Zentimeter lange Bohrkerne aus dem Bauwerk herausgebohrt und im Labor untersucht werden mussten. Ein an der Hochschule Karlsruhe entwickeltes und jüngst patentiertes Verfahren macht die Qualitätssicherung der Hydrophobierung nun wesentlich leichter und schneller. „Bei nur sehr gering erhöhten Kosten können Zeiteinsparungen von vielen Tagen bei der Analyse der Bohrkerne erreicht werden“, verspricht Professor Dr. Andreas Gerdes, Leiter des Instituts für Prävention im Bauwesen (IPB) der Hochschule Karlsruhe, an dem das neue Verfahren entwickelt wurde.

„Mit unserer Erfindung kann man wesentlich zerstörungsärmer als bisher gleich auf der Baustelle mit einem mobilen Gerät die Verteilung des Wirkstoffs in der Betonrandzone messen“, sagt Professor Gerdes. Das Prinzip ist einfach: Den Silanen wird ein patentierter Marker beigemischt, das heißt eine siliziumorganische Verbindung mit eingebauten Silberatomen. Sie ermöglichen eine Messung der Eindringtiefe mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS), einer in der chemischen Analytik etablierten Methode, die von der Bundesanstalt für Materialprüfung auf die Anwendung angepasst wurde. „Der Laser regt die Silberatome zu einer gut erkennbaren Antwort an. So kann die Eindringtiefe des hydrophobierenden Silans schnell und exakt ermittelt werden“, erklärt Professor Gerdes.

Einen weiteren Vorteil der schnellen Messung sieht Gerdes in der verkürzten Reaktionszeit. „Man erkennt sofort, ob die Hydrophobierung tief genug eingedrungen ist. Wenn das nicht der Fall war, kann man die Maßnahme sofort wiederholen und muss nicht tagelang warten, bis das Ergebnis der Probebohrung da ist. In der Praxis bedeutet das, dass Tunnel und Brücken nicht länger gesperrt werden müssen als unbedingt nötig.“

Entwickelt wurde der neue Silanmarker von Dr. Hartmut Herb und Professor Dr. Andreas Gerdes. Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit verschiedenen Unternehmen kamen die Chemiker auf die Idee, ein Trägermolekül zu entwickeln, welches die Silberatome in die Randzone des Betons transportiert. Das Projekt „Silamark“ war geboren. Nach rund zwei Jahren weiterer Forschung zur Optimierung des Silan-Silber-Verhältnisses wurde vergangenes Jahr das Patent erteilt.

„Silamark ist eine vielversprechende Erfindung. Das System ist betriebsbereit für eine sichere quantitative Qualitätskontrolle der Hydrophobierungsmaßnahmen im Bautenschutz. Zudem sind viele weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, beispielsweise bei der Hydrophobierung von Natursteinen und -ziegeln“, erklärt Dr. Frank Schlotter, Leiter der Abteilung Chemie, Life Sciences, Materialien und Medizintechnik bei der Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH in Karlsruhe. Die TLB GmbH unterstützt Erfinder, Hochschulen und Unternehmen bei der Patentierung innovativer Ideen und der Umsetzung in marktfähige Produkte.

Für Professor Andreas Gerdes ist der neue Marker nur ein Baustein auf dem Weg hin zu einem ökologisch und ökonomisch verantwortungsvolleren Handeln. „Wir müssen die Langlebigkeit der Bauwerke erhöhen“, fordert Gerdes, denn sowohl eine Instandsetzung als auch ein Neubau seien sehr teuer, zudem verringere sich durch eine erhöhte Dauerhaftigkeit die Umweltbelastung. „Dauerhaftes Bauen ist ökologisches Bauen“, betont der umtriebige Professor, der am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Hochschule Karlsruhe lehrt sowie Mitbegründer der IONYS AG und wissenschaftlicher Leiter des KIT-Innovations-Hub „Prävention im Bauwesen“ ist. Ziel der engen Verzahnung von der Hochschule Karlsruhe, KIT und der IONYS AG als Ausgründung ist es, Grundlagenergebnisse beschleunigt in die Anwendung zu bringen.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Hochschule Karlsruhe bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Hochschule mit der wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt.

Für weitere Informationen: Dr. Frank Schlotter, Mail: fschlotter(at)tlb.de