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Neue Elektronik: Es werde organisch Licht

Die organische Elektronik stößt die Tür weit auf für neue Produkte, muss dabei aber grundlegende Widersprüche überwinden. Doch die Technologie macht rasante Fortschritte: Bald lassen sich Solarzellen und Bildschirme auf Papier drucken.
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Solche Vorschläge wären den US-Amerikanern Alan Heeger und Alan MacDiarmid von der University of Pennsylvania Anfang der 1970er Jahre wohl im Traum nicht eingefallen. Gerade war ihnen ein Experiment schiefgegangen: Als sie einen Kunststoff herstellen wollten, fanden sie einen silbrig schimmernden Film auf dem Labortisch. So sehen normalerweise Metalle aus, die elektrischen Strom hervorragend leiten. Kunststoffe tun dagegen genau das nicht und werden daher zum Beispiel als nichtleitender Schutzmantel um die Kupferdrähte von elektrischen Leitungen gehüllt. Etwas musste also bei diesem Experiment misslungen sein – das passiert auch im besten Labor gar nicht so selten. Eigentlich wollten die beiden Forscher das Experiment schon zu den Akten legen, als Alan MacDiarmid eher zufällig auf einem Kongress in einer Kaffeepause mit dem Japaner Hideki Shirakawa von der Universität von Tsukuba über diesen seltsamen Fund plauderte. Der Kollege war mehr als verblüfft, schließlich hatte er 1974 ein ähnliches Experiment mit vergleichbarem Ergebnis gemacht. Das aber verringerte die Wahrscheinlichkeit eines dummen Zufalls erheblich und erhärtete den Verdacht, zufällig einen stromleitenden Kunststoff hergestellt zu haben.

Hideki Shirakawa hatte letztendlich einen Allerweltsversuch gemacht: Er wollte die einfache Chemikalie Acetylen mit Hilfe so genannter Ziegler-Natta-Katalysatoren zum Kunststoff Polyacetylen verbinden. Statt des erwarteten schwarzen Pulvers aber erhielt er einen ähnlichen silbrig glänzenden Film wie seine Kollegen in den USA. Bei Metallen entsteht die silbrige Farbe durch relativ leicht bewegliche Elektronen, die gleichzeitig elektrischen Strom gut leiten. Letzteres aber kann Polyacetylen normalerweise nicht. Schließlich besteht diese Substanz aus langen Ketten von Kohlenstoffatomen, bei denen die einzelnen Atome durch eine so genannte σ-Bindung miteinander verknüpft sind, die von zwei Elektronen hergestellt wird. Dazu kommt noch eine "konjugierte Doppelbindung", bei der etliche weitere Elektronen nicht an einzelne Atome gebunden sind, sondern sich über die gesamte Kette verteilen. Diese "π-Elektronen" verstärken nicht nur die Bindung, sondern sind ähnlich leicht beweglich wie die Elektronen in Metallen.

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Buntes Licht | Mittlerweile sind organische Leuchtdioden – kurz OLEDs – in allen Farben erhältlich (Symbolbild).

Es gibt allerdings eine entscheidende Einschränkung: Diese π-Elektronen können nicht von einem Molekül zum nächsten springen. Genau deshalb leiten solche Kunststoffe auch keinen Strom. Hideki Shirakawa, Alan Heeger und Alan MacDiarmid entdeckten bei ihren "missglückten Experimenten" jedoch, dass sie diesen Kettenmolekülen die elektrische Leitfähigkeit "einimpfen" konnten. Dazu behandelten sie den Kunststoff mit aggressiven Substanzen wie den Halogenen Fluor, Chlor oder Brom, die elektrisch positive Ladungen in die Substanz brennen: Sie oxidierten sie. Diese "Löcher" aber sind für die Leitfähigkeit verantwortlich, weil leicht bewegliche Elektronen aus der Nachbarschaft in diese Löcher hineinspringen können. Gleichzeitig hinterlassen sie an ihrem Ausgangsort ein neues Loch mit einer positiven Ladung, in das weitere Elektronen springen können. Auf diese Weise wandern Elektronen jetzt doch über die Grenzen der Moleküle hinweg durch die Substanz – elektrischer Strom beginnt zu fließen.

Strom begann zu fließen

Diese Stromleitung ist zwar 1000-mal schwächer als zum Beispiel in den Kupferleitungen herkömmlicher Stromkabel. Sie ist aber auch eine Milliarde Mal besser als in einem nicht mit Halogenen behandelten Polyacetylen. Physiker haben also gute Gründe, solche Substanzen "Halbleiter" zu nennen, die Strom zwar leiten, doch bei Weitem nicht an die Qualitäten von Silber oder Kupfer herankommen. Genau solche Halbleiter aber bilden das Rückgrat der modernen Elektronik. Kurzum: Die drei Forscher hatten die Tür aufgestoßen zur organischen Elektronik, in der Polymere und andere organische Verbindungen an die Stelle des bisher verwendeten Siliziums oder von Verbindungen wie Galliumarsenid und Kadmiumsulfid treten können. Es war daher keine allzu große Überraschung, als Hideki Shirakawa, Alan Heeger und Alan MacDiarmid im Jahr 2000 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurden.

"Diese Auszeichnung war eine Art Startschuss für neue Elemente in der Elektronik – nicht nur für organische Verbindungen, sondern zum Beispiel auch für die Möglichkeit, sie ähnlich wie bisher Zeitungen und Bücher zu drucken", erklärt Arved Hübler, der an der Technischen Universität Chemnitz das Institut für Print- und Medientechnik leitet. Und tatsächlich hat der Forscher elf Jahre später Solarzellen auf Papier gedruckt, deren Wirkungsweise sein Kollege Vladimir Dyakonov von der Würzburger Universität weiter aufgeklärt hat.

Eine solche technische Möglichkeit hatten bereits die vermeintlich schiefgegangenen Experimente der späteren Nobelpreisträger in den 1970er Jahren angedeutet. Damals war vor allem die silbrige Farbe der Kunststoffe aufgefallen. Dabei führt Licht den π-Elektronen ein wenig Energie zu. Chemiker sprechen in solchen Fällen von "angeregten Elektronen", die allerdings in ihrem Molekül bleiben. An der Stelle mit dem angeregten Elektron entsteht eine negative Ladung, während im gleichen Molekül an der Stelle, an der das Elektron fehlt, eine positive Ladung entsteht. "Exziton" heißt dieses Paar aus Elektron und einem Loch. Soll nun elektrischer Strom fließen, muss dieses Elektron zum nächsten Molekül wandern.

Dabei helfen so genannte "Elektronensauger", zu denen Verbindungen wie die 1985 erstmals nachgewiesenen Fullerene zählen, in denen sich 60 oder mehr Kohlenstoffatome zu einer Art molekularem Fußball verbinden. Solche und andere Verbindungen holen Elektronen aus den Exzitonen heraus: Ein elektrischer Strom kann fließen. Im Juli 2007 präsentierte Alan Heeger gemeinsam mit dem Koreaner Kwanghee Lee tatsächlich eine Solarzelle mit einer Kombination aus konjugierten Polymeren und Fullerenen, die im Labor 6,5 Prozent der auftreffenden Sonnenenergie in Strom umwandelt. Im Jahr 2013 erreichten ähnliche organische Solarzellen sogar Wirkungsgrade von zwölf Prozent, berichtet Markus Scharber von der Johannes Kepler Universität in Linz. Gemeinsam mit Serdar Sariciftci, der in den USA gemeinsam mit Alan Heeger arbeitete und seit 1996 das "Linz Institute for Organic Solar Cells" (LIOS) an der Universität leitet, erforscht der Österreicher solche organischen Solarzellen.

Drucken statt Reinraum

Deren Wirkungsgrad liegt zwar deutlich unter dem Weltrekord herkömmlicher Solarzellen aus Silizium, der 2013 auf 25 Prozent geschraubt wurde. Solche Module müssen allerdings im Hochreinraum produziert werden, während die organische Konkurrenz in Mischungen verschiedener Flüssigkeiten gelöst und so erheblich preiswerter mit Druckmaschinen aufgebracht werden kann. "Damit könnte man zum Beispiel die eine Milliarde Menschen auf der Welt, die bis heute keinen Zugang zu elektrischem Strom haben, preiswert mit Solarmodulen versorgen", überlegt Arved Hübler. Zurzeit liegt der Wirkungsgrad solcher gedruckten Solarzellen allerdings nur bei zwei Prozent, und die Zellen können bei starker Belastung nach drei Monaten ihren Geist aufgeben, in trockener Umgebung halten sie länger als ein Jahr. Die geringe Haltbarkeit liegt am Sauerstoff in der Luft, der alle Elektronen wegfängt, sobald die Fotozellen mit Luft oder auch nur geringen Mengen Feuchtigkeit in Berührung kommen.

Um das zu vermeiden, müssen Luft und Sauerstoff möglichst gut von den Solarzellen ferngehalten werden. "Das könnte man natürlich mit einfachen Glasscheiben erreichen", erklärt Vladimir Dyakonov. Dann aber ginge ein weiterer, wichtiger Vorteil verloren: Die gedruckten Solarzellen wären nicht mehr flexibel. Daher arbeiten die Forscher und Firmen mit Folien, die möglichst gut Sauerstoff und Feuchtigkeit ausschließen. Solche Solarzellen blieben voll flexibel und könnten dann auch auf dem Dach eines Zelts und sogar auf der Kleidung aufgebracht werden. Oder eben auf Papier gedruckt werden.

Wirkungsgrad und Haltbarkeit dürften sich noch deutlich verbessern lassen. Unschlagbar aber ist vor allem der Preis von vielleicht zehn Euro für einen Quadratmeter einer Papiersolarzelle, der bei Massenproduktion durchaus erreicht werden sollte. Leider ist jedoch bisher noch kein Hersteller bei dieser Drucktechnik eingestiegen. Das sieht ganz anders aus, wenn man die Reaktion umkehrt und mit elektrischem Strom aus organischen Halbleitern Licht herausschlägt. "Diese Technik funktioniert bereits in einigen Millionen Displays von Smartphones", berichtet Markus Scharber.

Alltag im Smartphone

In einer solchen organischen Leuchtdiode oder kurz OLED fließt über zwei Elektroden ein schwacher Strom. Eine der Elektroden liefert dabei Elektronen in den organischen Halbleiter, die andere holt Elektronen heraus und injiziert so positiv geladene Löcher. Finden sich beide, bilden sich Elektron-Loch-Paare, also die aus der Fotovoltaik bekannten Exzitonen. In diesen aber besitzt das Elektron ein wenig mehr Energie als normalerweise. Rasch fällt es in den energieärmeren Zustand, gleichzeitig führt ein Lichtblitz die Energiedifferenz ab. Die Wellenlänge dieses Blitzes und damit die Farbe des Lichts hängt direkt von der Energiedifferenz ab: Wächst sie, verschiebt sich die Farbe von roten zu blauen Tönen. Über die Größe dieser Energiedifferenz wiederum entscheidet die Struktur der Moleküle, in denen die Exzitonen entstehen. Deshalb haben OLEDs einen großen Vorteil gegenüber Leuchtdioden aus anorganischem Material wie zum Beispiel Galliumarsenid: Die Struktur organischer Verbindungen lässt sich normalerweise viel genauer als bei anorganischen Molekülen einstellen. Daher kann man OLEDs in sehr feinen Farbabstufungen herstellen. "Sollte also ein Unternehmen exakt den gleichen Farbton wie im Firmenlogo wünschen, stehen die Chancen gut, OLEDs mit genau dieser Farbe zu entwickeln", erläutert LIOS-Forscher Scharber.

Ein solches Feintuning aber schüttelt nur ein ausgebuffter Chemiker aus dem Ärmel, klassische Leuchtmittelhersteller sind dagegen eher die Domäne von Physikern. Genau das war wohl auch der Grund, aus dem die OLEDs nicht von bekannten Glühbirnenproduzenten, sondern von der chemischen Industrie entwickelt wurden. Andererseits brauchte es aber gestandene Physiker, um ein hausgemachtes OLED-Problem zu lösen: Nur jedes vierte Exziton, das durch die Rekombination von einem Elektron und einem Loch entsteht, befindet sich im so genannten "Singulett-Zustand", also einem nicht entarteten elektronischen Zustand. Nur wenn solche Singulett-Exzitonen in den Grundzustand fallen, senden sie einen Lichtblitz aus. Wenn aber nur jedes vierte Exziton Licht macht und etliche dieser Blitze auch noch innerhalb der Diode verschluckt werden, ist die Energieausbeute schlecht, und die Diode leuchtet nicht sonderlich hell. Allerdings kann ein Magnetfeld in nächster Nähe die anderen Exzitonen in wenigen millionstel Sekunden in den Singulett-Zustand bugsieren und so die Diode heller leuchten lassen. Ein solches Magnetfeld gibt es in der unmittelbaren Umgebung der Atome bestimmter schwerer Metalle wie Iridium, Platin, Osmium oder Rhenium, die dann auch den OLEDs zum Durchbruch verhalfen.

Ein Blick auf das Handy des Chemnitzer Druckspezialisten Arved Hübler zeigt einen großen Vorteil der OLED-Technologie in seinem Smartphone: "Der Farbkontrast ist viel besser als bei herkömmlichen LCD-Displays", erklärt der Forscher. Das aber ist ein wichtiges Argument für Nutzer, die ihre Bildschirme bisher nur in halbdunklen Räumen, nicht aber im hellen Sonnenlicht nutzen konnten. Der bessere Kontrast resultiert dabei unmittelbar aus dem Aufbau. LCD-Bildschirme aus Flüssigkristallen brauchen eben eine Hintergrundbeleuchtung, das Display kann daher kein Schwarz erzeugen. OLEDs dagegen verzichten auf das Hintergrundlicht; wird ein Element ausgeschaltet, ist diese Stelle schwarz. Genau das vergrößert den Kontrast und damit die Lesbarkeit auch im hellen Licht.

Wo Licht ist, muss es natürlich auch Schatten geben. Bei den OLEDs heißt dieser Schatten Haltbarkeit. Holt man Elektronen aus den organischen Verbindungen heraus, oxidiert man das Produkt, fließen die Elektronen zurück, liegt eine Reduktion vor. Dieses Hin und Her der Elektronen klappt aber nicht zu 100 Prozent. "Eine chemische Reaktion ist nun einmal nicht vollständig reversibel", erklärt Scharber. Bei jedem Zyklus bleiben daher einzelne Moleküle im oxidierten Zustand stecken. Mit der Zeit gibt es also immer weniger Moleküle, die Lichtblitze liefern. Langsam, aber sicher altert das Material. Bei einem Handy, das meist nach einigen Jahren durch ein neues Modell ersetzt wird, hält das Display diese Zeit vermutlich durch. Bei dem oft viel länger genutzten Bildschirm eines Fernsehers oder Computers mag das schon anders aussehen. "Zurzeit suchen die Firmen daher Systeme, bei denen Oxidation und Reduktion möglichst reversibel sind", erklärt der Linzer Forscher. Sobald sie auf den Markt kommen, dürften auch große OLED-Bildschirme in den Läden auftauchen. "OLED wird wohl die LCD-Technologie ablösen", ist sich auch Arved Hübler sicher. Dafür spricht noch ein weiterer Grund: OLEDs werden meist aus preiswerten Materialien hergestellt, obendrein liefern sie Licht mit geringerem Energieeinsatz.

Chancenlos im Computer?

Schlechtere Karten haben die organischen Halbleiter dagegen in der Computerbranche. Dort kommt es ja auf schnelle Schaltvorgänge an: Mit einer Million Schaltungen sind die organischen Verbindungen zwar ziemlich fix, klassische anorganische Halbleiter wie Silizium lassen sich jedoch noch 1000-mal schneller schalten und sollten deshalb die Nase auch in Zukunft vorn haben. Auf bestimmten Feldern könnten die organischen Verbindungen dennoch punkten. "Indigo hat zum Beispiel fantastische Eigenschaften", erklärt Eric Glowacki vom Linzer LIOS-Institut. Diese Behauptung verblüfft zunächst einmal, weil dieser Farbstoff gar keine konjugierten Doppelbindungen hat, die sich über lange Ketten erstrecken. Das tiefblaue Indigo besteht gerade einmal aus 16 Kohlenstoffatomen – sonderlich weit kommen die Elektronen in einem solchen Molekül also nicht. Zumindest in der Theorie.

Eric Glowacki hat die Substanz trotzdem untersucht und stellte eine erstaunlich gute Leitfähigkeit fest. Inzwischen kennt der junge Forscher auch die Hintergründe: "Die einzelnen Moleküle verbinden sich in der Ebene über Wasserstoffatome zu stabilen Schichten", erklärt der polnische Wissenschaftler. Diese Schichten lagern sich leicht versetzt zudem sehr dicht übereinander an, und schon können Elektronen und Löcher relativ gut von einer Ebene zur nächsten flitzen. Und damit gab es einen weiteren organischen Halbleiter.

Indigo aber punktet vor allem mit einer Reihe weiterer Eigenschaften. So ist die Substanz, die seit Jahrtausenden aus Pflanzen gewonnen und zum Färben verwendet wird, sehr billig. Und seit 1870 kann Indigo auch synthetisch hergestellt werden, die Firma BASF legte mit diesem Prozess die Grundlage für ihre Spitzenrolle in der weltweiten chemischen Industrie. Heute kostet ein Kilogramm Indigo nur noch 50 Cent – da kann kaum ein anderes Material mithalten, schon gar nicht hochreines Silizium.

Gleichzeitig ist die Substanz in den üblichen Einsatzbereichen stabil, was die mit Indigo gefärbten Jeans beweisen, die kaum tot zu bekommen sind. Es sei denn, man geht mit seinen Jeans im Meer schwimmen und legt die nasse Hose anschließend zum Trocknen in die pralle Sonne. Dann bleicht das gute Stück aus. "Mit Salzwasser und Sonnenlicht ist Indigo nämlich gut abbaubar", erklärt LIOS-Forscher Eric Glowacki. Anders als herkömmliche Kunststoffe verschwindet der Farbstoff also recht schnell in der Umwelt. Obendrein ist Indigo relativ harmlos, der menschliche Organismus toleriert davon erheblich größere Mengen als von Kochsalz. Eine elektronische Schaltung auf Indigobasis sollte also vom Körper gut vertragen werden. Und genau diese Eigenschaft suchen die Hersteller elektronischer Bauteile, die wie beispielsweise ein Herzschrittmacher in den Körper eingebaut werden. Deshalb kann die Indigoelektronik gern langsamer als ein Siliziumchip sein, der rasch vom Organismus abgestoßen wird – vielleicht also bald ein weiteres Feld für die organische Elektronik der Zukunft.

49. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 49. KW 2013

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