DE10231140A1 - Optoelectronic component with electrically conductive organic material and method for producing the component - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein optoelektronisches Bauelement mit elektrisch leitfähigem organischem Material und mit wenigstens zwei voneinander beabstandet angeordneten Streifenelektroden, die ein Streifenelektroden-Paar bilden und zwischen denen wenigstens eine Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Materials vorgesehen ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Bauelementes beschrieben. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mehr als zwei voneinander beabstandet, stapelförmig angeordnete Streifenelektroden derart angeordnet sind, dass die Steifenelektroden wenigstens zwei Streifenelektroden-Paare bilden, zwischen deren Streifenelektroden jeweils die wenigstens eine Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Materials vorgesehen ist.An optoelectronic component is described with electrically conductive organic material and with at least two strip electrodes arranged at a distance from one another, which form a pair of strip electrodes and between which at least one layer of the electrically conductive organic material is provided. A method for producing the component is also described. DOLLAR A The invention is characterized in that more than two spaced-apart, stacked strip electrodes are arranged in such a way that the strip electrodes form at least two pairs of strip electrodes, between the strip electrodes of which at least one layer of the electrically conductive organic material is provided.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement mit elektrisch leitfähigem organischem Material und mit wenigstens zwei voneinander beabstandet angeordneten Streifenelektroden, die ein Streifenelektroden-Paar bilden und zwischen denen wenigstens eine Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Materials vorgesehen ist.The invention relates to a optoelectronic component with electrically conductive organic Material and with at least two spaced apart Strip electrodes that form a pair of strip electrodes and between them at least one layer of the electrically conductive organic material is provided.
Unter der Bezeichnung "optoelektronische Bauelemente" sind grundsätzlich sowohl Solarzellen zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in elektrische Energie, als auch Leuchtdioden zu verstehen, die im umgekehrten Sinne elektrische in elektromagnetische Energie, vorzugsweise in Form sichtbaren Lichtes umwandeln. Optoelektronische Bauelemente der vorstehend genannten Gattung, die anstelle einer aus Halbleitermaterial bestehenden photoaktiven Schicht eine elektrisch leitfähige, organische, vorzugsweise polymere Materialschicht vorsehen, vermögen derzeit zwar nicht an jene energetischen Wirkungsgrade heranreichen, die mit konventionellen, ausschließlich auf Halbleitermaterialien beruhenden optoelektronischen Bauelementen erzielbar sind, doch zeichnen sich eben jene, neuartigen optoelektronischen Bauelemente durch ihre überaus preisgünstigen Materialien und Herstellungsmöglichkeiten aus, wodurch sie zunehmend auf wirtschaftliches Interesse stoßen.Under the name "optoelectronic components" are basically both Solar cells for converting electromagnetic radiation energy to understand in electrical energy, as well as light emitting diodes in the opposite sense electrical into electromagnetic energy, preferably convert it into visible light. Optoelectronic Components of the aforementioned type, which instead of one an electrically photoactive layer consisting of semiconductor material conductive, Organic, preferably polymeric material layers are currently capable not reach those energetic efficiencies that with conventional, exclusively optoelectronic components based on semiconductor materials are achievable, but it is precisely those new types of optoelectronic Components by their extremely cheapest Materials and manufacturing options from which they are increasingly of economic interest.
In
Der vorstehende Schichtaufbau für optoelektronische
Bauelemente weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: Aufgrund
einer nur begrenzten Ladungsträgerbeweglichkeit
für Löcher und
Elektronen innerhalb der organischen Materialschicht
Treten zudem herstellungsbedingt
innerhalb der auf der ITO-Schicht
Darüber hinaus ist die erforderliche
transparente ITO-Elektrode
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes optoelektronisches Bauelement mit elektrisch leitfähigem organischen Material und mit wenigstens zwei voneinander beabstandet angeordneten Streifenelektroden, die ein Streifenelektroden-Paar bilden und zwischen denen wenigstens eine Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Materials vorgesehen ist, derart weiterzubilden, dass die optoelektronischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelementes verbessert werden sollen. Im einzelnen gilt es nach Lösungen zu suchen, um die kostenintensive ITO-Schicht durch günstigere Varianten zu ersetzen, wodurch letztlich auch der Freiheitsgrad für eine größere Materialwahl für die Elektrodenschichten geschaffen werden soll. Für die Betriebsweise des eingangs beschriebenen Schichtaufbaus sowohl als Solarzelle als auch als Leuchtdiode gilt es in beiden Fällen die energetischen Wirkungsgrade zu optimieren sowie deren Herstellkosten zu senken. In Verbindung mit dem Wunsch nach geringeren Herstellungskosten gilt es ebenso, eine Verfahrenstechnik anzugeben, mit der das optoelektronische Bauelemente unter wirtschaftlichem sowie industriellen Aspekten herstellbar ist.The invention is based on the object generic optoelectronic Component with electrically conductive organic material and with at least two spaced apart Strip electrodes that form a pair of strip electrodes and between which at least one layer of the electrically conductive organic Material is provided to develop such that the optoelectronic Properties of the optoelectronic component can be improved should. In particular, it is necessary to look for solutions to the cost-intensive ITO layer through cheaper To replace variants, which ultimately also means the degree of freedom for one greater choice of materials for the electrode layers to be created. For the operation of the layer structure described above both as a solar cell and as a light-emitting diode, it applies in both cases optimize energy efficiency and their manufacturing costs to lower. In connection with the desire for lower manufacturing costs It is also important to specify a process technology with which the optoelectronic Components from an economic and industrial point of view can be produced.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 25 ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelementes, das vorzugsweise als Solarzelle sowie auch als Leuchtdiode einsetzbar ist.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. Ge The subject matter of claim 25 is a method for producing an electronic component according to the invention, which can preferably be used as a solar cell and also as a light-emitting diode.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee setzt sich über das bisher übliche Durchstrahlungsprinzip bei optoelektronischen Bauelementen hinweg, nach dem die Durchstrahlungsrichtung stets senkrecht zu den Bauelementschichten orientiert ist und deshalb wenigstens eine lichttransparente Elektrode, vorzugsweise eine ITO-Elektrode, erforderlich ist. In Abkehr hierzu wird erfindungsgemäß ein neuartiger Aufbau bzw. eine neuartige Zellarchitektur für organische Photo- bzw. Solarzellen sowie organische Leuchtdioden vorgeschlagen, die wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl von stapelförmig übereinander, jeweils gegenseitig beabstandet angeordnete Streifenelektroden vorsieht, die zu Streifenelektroden-Paaren gruppierbar sind, zwischen deren Streifenelektroden jeweils wenigstens eine Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Materials vorgesehen ist. Charakteristisch für diesen neuartigen Elektrodenaufbau für ein optoelektronisches Bauelement ist die durch die stapelförmige Streifenelektrodenanordnung bedingte Betriebsweise des Bauelementes dergestalt, dass sich das mit der elektrisch leitfähigen, optisch aktiven, organischen Materialschicht in Wechselwirkung tretende Licht parallel zu den Streifenelektrodenflächen innerhalb der organischen Materialschicht ausbreitet. Dies führt letztlich dazu, dass das mit der organischen Materialschicht in Wechselwirkung tretende Licht ohne Vorsehen jeglicher Zwischenschichten über die Seitenkanten in die zwischen beiden Streifenelektrodenflächen eingeschlossene, organische Materialschicht eintreten bzw. aus dieser abgestrahlt werden kann. Hierdurch eröffnet sich eine Reihe von Vorteilen: Trotz der materialbedingten verhältnismäßig geringen Ladungsträgerbeweglichkeit von geeigneten, organischen Materialien, ist die Schichttiefe, längs der im Falle einer Solarzelle Lichtabsorption innerhalb der organischen Schicht stattfindet, nahezu beliebig groß zu wählen, zumal bei der parallelen zu den Streifenelektrodenflächen gerichteten Durchstrahlung die für die Absorption relevante Schichttiefe nicht vom Elektrodenabstand, sondern von der Elektrodenlänge bestimmt ist. Hingegen bleibt der Elektrodenabstand bezüglich der Ladungsträgerbeweglichkeit nach wie vor relevant und entspricht typischerweise der Schichtdicke der organischen Materialschicht von konventionellen organischen Solarzellen.The basis of the invention Idea prevails the usual so far Radiographic principle in optoelectronic components, after which the radiation direction is always perpendicular to the component layers is oriented and therefore at least one light-transparent electrode, preferably an ITO electrode, is required. In turn, according to the invention, a novel one Construction or a new type of cell architecture for organic photo or solar cells as well as organic light-emitting diodes, which have at least two, preferably a plurality of stacked one above the other, each mutually provides spaced strip electrodes that form pairs of strip electrodes can be grouped, at least between their strip electrodes a layer of the electrically conductive organic material is provided. Characteristic of this new type of electrode structure for a The optoelectronic component is the stacked strip electrode arrangement conditional mode of operation of the component such that the with the electrically conductive, optically active, organic material layer interacting Light parallel to the stripe electrode surfaces within the organic Spreads material layer. This ultimately leads to that light interacting with the organic material layer without providing any intermediate layers over the side edges in the organic trapped between two strip electrode surfaces Enter material layer or can be emitted from this. This opened there are a number of advantages: Despite the material-related relatively small Carrier mobility of suitable organic materials, the layer depth is along the in the case of a solar cell, light absorption within the organic Layer takes place to choose almost any size, especially with the parallel to the strip electrode surfaces directed radiation for the absorption-relevant layer depth not from the electrode distance, but from the electrode length is determined. In contrast, the electrode spacing remains with respect to the Carrier mobility still relevant and typically corresponds to the layer thickness the organic material layer of conventional organic Solar cells.
Um eine möglichst großflächige, für den Fall einer Solarzelle zur Verfügung stehende Beleuchtungsfläche aus elektrisch leitfähigen, organischen Material zu erhalten, wird erfindungsgemäß eine Vielzahl nebeneinander angeordnete Flächenelektroden-Paare mit jeweils dazwischen befindlichem organischen Material vorgesehen, deren Anzahl und Anordnung grundsätzlich beliebig dimensionierbar und skalierbar sind.To be as large as possible, in the case of a solar cell to disposal standing lighting surface made of electrically conductive, Obtaining organic material is a variety according to the invention juxtaposed surface electrode pairs each with organic material in between, the number of which is provided and arrangement basically are freely dimensionable and scalable.
Da die Lichtausbreitungscharakteristik innerhalb des neuartigen optoelektronischen Bauelementes die Verwendung optisch transparenter Elektrodenschichten, insbesondere die Verwendung von Indium-Zinn-Oxid (ITO) als transparentes Elektrodenmaterial, überflüssig macht, verbessern sich durch den Wegfall dieses bisherigen Zwangserfordernis automatisch die Auswahlmöglichkeiten erheblich für Elektrodenmaterialien, insbesondere in Hinblick auf günstige Elektrodenpaar-Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Austrittsarbeiten für den Aufbau von Solarzellen.Because the light propagation characteristic the use within the novel optoelectronic component optically transparent electrode layers, especially the use of indium tin oxide (ITO) as a transparent electrode material, makes it superfluous, improve by eliminating this previous requirement automatically the selection options significant for electrode materials, especially with regard to cheap Electrode pair materials with different electrical work functions for the construction of Solar cells.
Wie im weiteren noch im einzelnen ausgeführt wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Zeltarchitektur ein neuartiges Herstellverfahren, wodurch insbesondere die Kurzschlussgefahr durch vorhandene Pinholes innerhalb der organischen Materialschicht vollkommen ausgeschlossen werden kann.As in more detail below accomplished is made possible the tent architecture according to the invention a novel manufacturing process, which in particular the risk of short circuit due to existing pinholes within the organic material layer can be completely excluded.
So sieht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes der vorstehenden erfindungsgemäßen Art in einem ersten Schritt zunächst die Herstellung der stapelförmig angeordneten Streifenelektroden vor. Erst nach Fertigstellen der Streifenelektrodenanordnung, zu deren Ausbildung Metallabscheidungsprozesse erforderlich sind, wird das elektrisch leitfähige, organische Material in die entsprechend vorgesehenen freien Zwischenräume zwischen den Streifenelektroden-Paaren eingebracht. Zwar kann auch auf diese Weise die Ausbildung von sich innerhalb der organischen Materialschicht ausbildenden Diskontinuitäten, beispielsweise in Form von Durchgangsöffnungen, nicht vollständig vermieden werden, doch ist verfahrensbedingt ausgeschlossen, dass etwaige vorhandene Pinholes innerhalb der organischen Materialschicht mit elektrisch leitfähigem Elektrodenmaterial nachträglich aufgefüllt werden können, zumal die Herstellung der Streifenelektroden und damit jegliche Metallabscheidungen bereits im vorangegangenen Verfahrensschritt abgeschlossen sind.A method according to the invention provides for Production of an optoelectronic component of the above Art in a first step first the manufacture of the stacked arranged strip electrodes in front. Only after completing the Strip electrode arrangement, for their formation metal deposition processes are required, the electrically conductive, organic material in the correspondingly provided free spaces between the pairs of strip electrodes brought in. In this way too, training can be done by itself discontinuities forming within the organic material layer, for example in the form of through openings, not completely can be avoided, but due to procedural reasons it is excluded that any pinholes present within the organic material layer with electrically conductive Subsequent electrode material filled can be especially since the manufacture of the strip electrodes and thus any Metal deposits already in the previous process step Are completed.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäß ausgebildeten optoelektronischen Bauelementes sowie vorteilhafte Ausführungsbeispiele und insbesondere die Beschreibung der erfindungsgemäßen Herstellung eines derartigen optoelektronischen Bauelementes werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben.Further advantages of the designed according to the invention optoelectronic component and advantageous exemplary embodiments and in particular the description of the manufacture according to the invention of such an optoelectronic component are shown below with reference to the embodiments described.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawing. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to Execute the Invention, industrial applicability
In Gegenüberstellung zu dem bekannten Schichtaufbau
gemäß
Ferner sieht der Schichtaufbau gemäß
Durch die Vielfachanordnung der stapelförmig aneinander
gereihten Streifenelektroden-Paare P in der in
Je nach verwendeten Elektrodenmaterialien sowie
dem Einsatzzweck des optoelektronischen Bauelementes beispielsweise
in Form einer Solarzelle oder einer Leuchtdiode, weisen die Streifenelektroden
innerhalb eines Streifenelektroden-Paars P einen gegenseitigen Abstand
b zwischen 300 nm und 1,5 μm
auf. Die Erstreckung der Streifenelektroden normal zur Übertrittsebene
Wie im weiteren noch unter Bezugnahme
auf
Mit der erfindungsgemäßen Vielfachanordnung
der stapelförmig
aneinander gereihten Streifenelektroden-Paare P, die bezogen auf
die jeweils eingeschlossene organische Materialschicht
Auch ist es mit dem in
Auch lassen sich durch die erfindungsgemäße stapelförmige Vielfachanordnung
einzelner Streifenelektroden-Paare vollkommen neue Leistungsbereiche
für den
Betrieb von Solarzellen sowie auch für organische Leuchtdioden erschließen. Werden
beispielsweise benachbart angeordnete Streifenelektroden-Paare P
in der in
Überlegungen
sowie auch bereits durchgeführte
Versuche zeigen, dass durch vielfache, stapelförmige Hintereinanderschaltung
von in Reihe geschalteter Streifenelektroden-Paare Betriebsspannungen
erreicht werden, durch die das optoelektronische Bauelement selbst
zerstört
werden würde.
Um derartig hohe Betriebsspannungen zu vermeiden, lassen sich einzelne
oder bestimmte in Reihe geschaltete Gruppen von Streifenelektroden-Paaren parallel
zueinander schalten, wie es schematisch aus der
Im Falle der Betriebsweise des erfindungsgemäß ausgeführten optoelektronischen
Bauelementes als Solarzelle gilt es im einzelnen, die im Wege der
lichtinduzierten Elektron-Loch-Paare innerhalb der organischen,
photoaktiven Materialschicht
Eine alternative Variante zum Einbringen
des organischen Materials in den Zwischenraum eines Streifenelektroden-Paars
sieht das abwechselnde Einbringen p- und n-leitender organischer Materialschichten
im Wege eines gezielten Aufdampfprozesses vor. So ist es möglich, durch
abwechselndes Aufdampfen von p- und
n-leitenden organischen Materialien, die aus der Gruppe der Oligomere
stammen, die Zwischenräume
zwischen zwei Streifenelektroden-Paaren schichtweise abwechselnd
aufzufüllen. Die
einzelnen p- und n-leitenden organischen Materialschichten werden
senkrecht zu den beiden sich gegenüberliegenden Streifenelektroden
jeweils eines Streifenelektroden-Paars abgeschieden. Einen derartigen
schichtförmigen
organischen Materialschichtaufbau ist in
Zur Herstellung der einzelnen n- und p-leitenden organischen Materialschichten dienen zwei, die entsprechenden Schichtmaterialien aufweisende Verdampferquellen, die beide gegenüber der zu bedampfenden Streifenelektrodenanordnung positioniert sind und wechselweise durch eine entsprechende Shutter-Vorrichtung zur selektiven Bedampfung abgedeckt werden.To produce the individual n- and p-conducting organic material layers, two evaporator sources are used, which have the corresponding layer materials, both of which are opposite to the one to be steaming strip electrode arrangement are positioned and alternately covered by a corresponding shutter device for selective vapor deposition.
In gleicher Weise, in der die vorstehenden, vorteilhafte Effekte für eine verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeit zur Realisierung einer Solarzellen genutzt werden, können diese auch für die Herstellung und den Betrieb organischer Leuchtdioden in Anwendung gebracht werden.In the same way as the above, advantageous Effects for improved carrier mobility can be used to implement solar cells also for the production and operation of organic light emitting diodes in use to be brought.
So führen auch bei der Herstellung
organischer Leuchtdioden die gezielte Ausrichtung geeigneter asymmetrischer
Moleküle
oder Teilchen, die im fließfähigen organischen
Material enthalten sind und deren durch ein vorgegebenes E-Feld
bestimmte Orientierung und Ausrichtung auch im erstarrten Zusand des
organischen Materials erhalten bleiben, zu vollkommen neuen Eigenschaften
derartiger Leuchtdioden. In
Da die Teilchen
Liegt darüber hinaus die periodische
Wiederkehr benachbart angeordneter Streifenelektroden-Paare in der
Größenordnung
der von den photoaktiven Teilchen emittierten Lichtwellenlänge, so
ist das Emissionsverhalten einer derartig betriebenen Leuchtdiode
durch die Dimensionierung der einzelnen Streifenelektroden-Paare
und deren gegenseitige Beabstandung gezielt beeinflussbar. Hierbei
können
Beugungseffekte an der Übertrittsebene
Im weiteren wird auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das vorstehend beschriebene optoelektronische Bauelement im einzelnen eingegangen.Furthermore, the manufacturing process according to the invention is described for the optoelectronic component described above in detail.
Wie bereits erwähnt, gilt es in einem ersten Verfahrensschritt die Streifenelektrodenanordnung herzustellen, bevor organische Materialschichten in die entsprechenden Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Streifenelektroden eingebracht werden. Zur Herstellung der Streifenelektrodenanordnung bedarf es einer gezielten Strukturierung eines Flächensubstrates, das als Grundstruktur vorzugsweise parallel verlaufende Rippenzüge aufweist. Zur Erzeugung eines derartigen linearen Oberflächenrelief-Gitters in Form parallel verlaufender Rippenzüge mit Strukturgrößen typischerweise im Mikrometerbereich, eignen sich photolithografische Verfahren, wie beispielsweise die Interferenzlithografie. Nach entsprechender Musterbildung innerhalb eines belichteten Photoresistes erfolgt zumeist eine galvanische Abformung in eine Nickeloberfläche, die letztlich als Prägewerkzeug zur Replikation der Mikrostruktur in Kunststoffe dient. Zur Herstellung derartig strukturierter Substratoberflächen eignen sich eine Reihe aus dem Stand der Technik bekannte Prozesstechniken, auf die an dieser Stelle im einzelnen nicht eingegangen wird.As already mentioned, it applies in a first process step manufacture the strip electrode assembly before layers of organic material in the corresponding spaces between two adjacent strip electrodes. One is required to produce the strip electrode arrangement targeted structuring of a flat substrate that serves as a basic structure preferably has parallel ribs. For generation of such a linear surface relief grating typically in the form of parallel ribs with structure sizes in the micrometer range, photolithographic processes are suitable, such as interference lithography. After corresponding Pattern formation takes place within an exposed photoresist mostly a galvanic impression in a nickel surface, the ultimately as an embossing tool serves to replicate the microstructure in plastics. For the production A number of such structured substrate surfaces are suitable Process techniques known from the prior art, to which this point is not dealt with in detail.
In den
Durch die hintereinander ausgeführte Schrägbedampfung,
sowohl der linken als auch der rechten Seitenflanken der Erhebungen
Auf diese Weise wird automatisch
eine Reihenschaltung benachbarter Streifenelektroden-Paare geschaffen,
wie sie in der schematisierten Darstellung gemäß
Um den im Wege der vorstehend beschriebenen
Schrägbedampfung
entstehenden Ohm'schen Kontakt
zwischen den Metallabscheidungen auf den Seitenflanken einer Erhebung
am Kappenbereich zu vermeiden, stehen grundsätzlich zwei Maßnahmen zur
Verfügung.
So ist es einerseits möglich,
gemäß
Alternativ verhilft eine Zwischenabscheidung von
elektrisch isolierendem Material
In
In einem weiteren Verfahrensschritt
wird der Elektrodenbereich
Die vorstehenden Verfahrensschritte dienten der Herstellung der Streifenelektrodenstruktur mit entsprechenden Zwischenräumen, die es gilt, mit einem elektrisch leitenden photoaktiven organischen Material zu befüllen.The above process steps were used to produce the strip electrode structure with corresponding Interspaces with an electrically conductive photoactive organic material to fill.
In
An dieser Stelle eröffnen sich
grundsätzlich zwei
alternative weitere Verfahrenspfade. Zum einen ist es möglich, durch
entsprechenden bündigen
Abtrag des organischen Materials sowie des Substrates
- 11
- Elektrisch leitfähiges organisches Materialelectrical conductive organic material
- 22
- Flächenelektrodesurface electrode
- 33
- Optisch transparente ITO-Elektrodeoptical transparent ITO electrode
- 44
- Optisch transparentes Substratoptical transparent substrate
- 55
- Streifenelektrodestrip electrode
- 66
- Nicht elektrische nicht optisch aktive Zwischenschicht, SubstratNot electrical non-optically active intermediate layer, substrate
- 77
- ÜbertrittsebeneCrossing level
- 88th
- Optisch aktive Teilchenoptical active particles
- 99
- Elektrisch isolierende Zwischenschichtelectrical insulating intermediate layer
- PP
- Streifenelektroden-PaareStrip electrode pairs
- 1010
- Teilmaskesubform
- 1111
- Elektrodenbereichelectrode area
- 1212
- Teilmaskesubform
- 1313
- Elektrodenbereichelectrode area
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