Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Organische Elektronik - Eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

Über das Thema "OLED & OPV - ein starkes Duo" sprachen im Rahmen der 17. Stuttgarter Chemietage im Institut Dr. Flad der Kölner Professor Dr. Amitabh Banerji zusammen mit seiner Mitarbeiterin, der Doktorandin Jennifer Dörschelln.

Banerji ist Juniorprofessor für Chemie und ihre Didaktik an der Universität Köln und hat Chemie und Informatik für das Lehramt an Gymnasium studiert. Promoviert hat er anschließend bei Prof. Dr. Tausch an der Bergischen Universität in Wuppertal. Am Institut Dr. Flad ist er kein Unbekannter, sprach er doch bereits bei den Chemietagen 2013.

Ein wesentliches Ziel des Chemieunterrichts, so Banerji, muss die Integration der industriellen und wissenschaftlichen Forschung in schulische Bildungsprozesse und deren Lehrpläne sein.

Ein Beispiel dafür sei das innovative Feld der organischen Elektronik, insbesondere die Nutzung von Halbleiterpolymeren in fotoelektronischen Geräten, z.B. in organischen Leuchtdioden (OLED) und Photovoltaikzellen (OPV). Von Prof. Banerji und seinen Mitarbeitern wurde deshalb ein Lernkoffer unter dem Namen "Organic Photoelectronics" entwickelt, mit dessen Hilfe Schülern diese Prozesse vermittelt werden können.

In einer faszinierende Darbietung demonstrierten Prof. Banerji und Jennifer Dörschelln, dass die organische Elektronik, also insbesondere OLED und OPV, ein besonders hohes Potential für technische Revolutionen im Energie- und Konsummarkt (z.B. metallfreie Elektronik, flexible Displays, transparente Solarzellen usw.) hat und deshalb Schüler besonders für chemische Sachverhalte motivieren kann.

OLEDs: Glühwürmchen als Vorbilder?

Nun ist die Lumineszenz keine neue Erfindung. Sie kommt bereits im Tierreich z.B. bei Glühwürmchen vor. Diese können ihr Licht, ein Werbemittel in der Paarungszeit, mittels Chemilumineszenz ein- und ausschalten. Forscher haben die Prinzipien der dahinter stehenden Grundlagen bereits frühzeitig analysiert. Allerdings basiert die OLED auf der Elektrolumineszenz, also der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht. Hierfür sind spezielle Halbleiter notwendig. Um 1990 hat dann eine Forschergruppe aus Cambridge erstmals mit halbleitenden Polymeren eine Leuchtdiode hergestellt, die aber im Vergleich zur Konkurrenz nicht überzeugen konnte, weil z.B. kleinste Verunreinigungen zur massiven Verkürzung der Lebensdauer führten.

"Ein hübsches Experiment ist an sich oft wertvoller als 20 in der Gedankenretorte erbrütete Formeln"

Nach diesem Grundsatz von Albert Einstein demonstrierte Jennifer Dörschelln mit low-cost-Materialien aus dem Koffer den Aufbau einer organischen Leuchtdiode. Dabei werden einfache Materialien verwendet. Neben einem quadratischen FTO-Glas sind das u.a. eine Superyellowlösung und eine Einwegspritze, Aceton, ein Stück Kupferfolie sowie einen PC-Lüfter zum Spincoating für das gleichmäßige Verteilen der aufgebrachten Lösung. Daneben braucht es noch eine 9 V Batterie mit 2 Kabeln mit Krokodilklemmen, eine Rolle mit Tesafilm, ein Objektträgerglas, Klammern, Zellstofftücher und evtl. einen Fön zum Trocknen.

Aufbau einer organischen Leuchtdiode

Basis für den Aufbau ist ein transparentes Substrat, z.B. ITO- oder FTO-Glas. Die Anode ITO (Indiumzinnoxid) oder FTO (Fluorine-doped tin-oxide) ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. OLEDs basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also auf der Verbindung von mehreren Kohlenstoffatomen mit anderen Elementen, die sich wie Halbleiter verhalten. Das Licht entsteht in den organischen Schichten, wenn angeregte Elektronen Löcher eines energetisch tiefer liegenden Zustandes besetzen und ein Photon erzeugen. Es wird durch die transparente Schicht abgestrahlt. Als Kathode wird ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgebracht. Bei Anlegen einer äußeren Spannung von wenigen Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht.

Mit dem Material aus dem Koffer konnte Jennifer Dörschelln diese Vorgänge überzeugend demonstrieren. Als die Lichter in der Versuchsanordnung aufleuchteten, brandete eine Welle des Beifalls im Großen Hörsaal auf.

Organische Photovoltaikzellen

Ein zweiter Versuch befasste sich mit der Herstellung einer organischen Photovoltaikzelle. Auch hier wurden hauptsächlich die Gegenstände aus dem Koffer verwendet. Das Verfahren läuft ähnlich wie das bei der OLED, allerdings mit der Änderung, dass bei der Solarzelle zur Steigerung der Ausbeute der Einsatz eines Polymergemisches notwendig ist.

Die hergestellte Solarzelle zeichnet sich durch einen besonderen Aufbau der fotoaktiven Schicht aus. Ein p- und ein n-Halbleiter (P3HT und PCBM) werden gemischt und als gemeinsame Schicht (blend) verarbeitet.

Die Basis der Solarzelle ist wieder ein FTO-Glas. Gelegentlich kommt auch ein ITO-Glas zur Verwendung, Allerdings empfiehlt sich das FTO-Glas aus Kostengründen.

Auf der FTO-Schicht wird eine Schicht aus dem leitfähigen Polymer (PEDOT:PSS) aufgetragen. Diese Schicht dient u.a. zur Glättung der FTO-Oberfläche.

Auf das Polymer wurde wieder mittels Spincoating die photoaktive Schicht aufgetragen. Das photoaktive Material ist ein Gemisch aus dem Polymer P3HT (ein Polythiophen) und dem Fullerenderivat PCBM. Die Schichtdicke beträgt ca. 200 nm. Vor der weiteren Verarbeitung muss die organische Schicht bei 140 °C für ca. 5 min. erhitzt (getempert) werden.

Für den Kontakt mit der Gegenelektrode wird Galinstan (Ga-In-Sn) auf eine vorbereitete Maske (bestehend aus einem halbierten Objektträger, kleinen Gummistreifen und Kupferfolie) aufgetropft und mit der organischen Halbleiterschicht kontaktiert. Klammern fixieren die Zelle.

Bei Bestrahlung (z.B. mit einer Taschenlampe) wird so in der photoaktiven Schicht Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt und es kommt zu einem Elektronenfluss. Im Versuch reichte die so erzeugte Energie aus, um einen empfindlichen Motor zu betreiben.

Prof. Banerji live zu erleben, war einer der Höhepunkte der diesjährigen Chemietage. Seine Fähigkeit, sein Publikum zugleich zu belehren und zu unterhalten, machte auch deutlich, weshalb er bereits 2012 Sieger beim Science Slam wurde. Dort stellte er - heute noch auf Youtube zu sehen - in einem schwarzen T-Shirt mit darauf leuchtender Brille unter dem Titel "Fantastic Plastic - organische LEDs" seine Arbeitsergebnisse vor.

Die im Dunkeln leuchtende Brille konnte er im Großen Hörsaal des Instituts nicht zeigen, dafür war es am frühen Nachmittag zu hell, aber die Vorstellung seiner Arbeitsergebnisse und die praktische Anwendung durch Frau Dörschelln war auch ohne dieses Detail ein Genuss.

Dr. Siegfried Kümmerle

Jun.-Prof. Dr. Amitabh Banerji

Juniorprofessor für Chemie und ihre Didaktik an der Universität zu Köln, studierte in Berlin Chemie und Informatik für das Lehramt an Gymnasien, Promotion am Lehrstuhl von Prof. Tausch (Bergische Universität Wuppertal), Dozent und Fachkoordinator an der Junior Uni gGmbH Wuppertal, Manfred und Wolfgang Flad-Preis 2011, mehrmals erster Platz bei Science Slams.

Jennifer Dörschelln

Doktorandin im Institut für Chemie und ihre Didaktik an der Universität zu Köln, studierte den Master of Education in Chemie und Biologie an der Bergischen Universität Wuppertal, studierte Diplom Biologie an der Heinrich-Heine- Universität Düsseldorf, langjährige Dozentin an der Junior Uni gGmbH Wuppertal