Organische Elektronik: umweltverträglicher, kostengünstiger und bald auch effizienter

Elektronische Bauelemente, darunter (Feldeffekt-)Transistoren (FET), lichtemittierende Dioden (LED) oder Solarzellen, die auf anorganischen Materialien basieren, sind zentrale Bestandteile in elektrotechnischen Anwendungen. Speziell Solarzellen werden konventionell hauptsächlich aus Silizium hergestellt. Silizium absorbiert Licht in einem breiten Wellenlängenbereich, erlaubt eine so gut wie augenblickliche Erzeugung von freien Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) nach Absorption von Licht und weist eine hohe Mobilität dieser freien Ladungsträger auf, sodass sich mit diesen konventionellen Solarzellen Effizienzgrade von bis zu 25 Prozent erzielen lassen. Jedoch erfordert diese hohe Effizienz eine hohe Reinheit des Materials, die spezielle Anforderungen an die Herstellung stellt, die wiederum mit hohen Kosten verbunden ist. Zudem sind die Zellen starr, sie brechen leicht und sind damit für viele (mobile) Anwendungen, wie z.B. an Taschen oder Kleidung, ungeeignet.

Ladungsträger auf Wanderschaft

Die organische Elektronik beschäftigt sich demgegenüber mit der Entwicklung von entsprechenden Bauelementen, die auf organischen Materialien (im Wesentlichen kohlenstoffhaltigen Verbindungen) basieren. Diese Materialien lassen sich typischerweise leicht in Lösung verarbeiten, beispielsweise mittels Rotationsbeschichtung (spin coating) – einem Verfahren zum Auftragen dünner und gleichmäßiger Filme auf ein Substrat – oder mittels Techniken, wie sie in einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker benutzt werden. Anders als bei den anorganischen Bauelementen finden in ihren organischen Gegenstücken häufig keine hoch geordneten Materialien Anwendung, sondern meist amorphe Mischungen, bei denen die Verbindungen unregelmäßige Muster bilden. Grundsätzlich wird zwischen zwei Materialtypen unterschieden: (i) Materialien, die Elektronen aufnehmen (Akzeptor) und (ii) Materialien, die Elektronen abgeben (Donor). Der Grund für die Erfordernis von solchen Donor-Akzeptor-Mischungen liegt in den fundamentalen chemischen Eigenschaften der benutzten organischen Moleküle bzw. Polymere. Betrachtet man z.B. die Prozesse, die in einer organischen Solarzelle auftreten (siehe Abb. 1(a)), so lässt sich die Umwandlung von Licht in elektrische Energie in vier Schritte aufteilen: (1) Bei Einfall von Licht wird zunächst ein Akzeptormolekül elektronisch angeregt, das heißt, ein Elektron nimmt die Energie des Lichts auf und ändert dadurch seinen Zustand. Es verlässt seine energetische Position und hinterlässt ein Loch. Zwischen Elektron und Loch wirkt eine anziehende elektrostatische Wechselwirkung, die zur Ausbildung eines gebundenen Elektron-Loch-Paars, des Exzitons, führt. Durch die schwache elektrostatische Abschirmung in organischen Materialien sind die Ladungsträger in den Exzitonen stark aneinander gebunden, und anders als bei Silizium ist die thermische Energie nicht ausreichend, um diese Bindung zu lösen. Hier kommt die Grenzfläche zwischen Donor- und Akzeptormaterial ins Spiel, zu der sich (2) das Exziton durch das Akzeptormaterial bewegen muss. Nach dieser Exzitonenmigration bewirkt die geänderte chemische Umgebung an der Grenzfläche eine Änderung des Exzitonencharakters und führt letztendlich zur (3) Aufspaltung des Elektron-Loch-Paares in freie Ladungsträger. Anschließend (4) müssen freie Elektronen und Löcher durch Donor- bzw. Akzeptorschicht zu den Elektroden diffundieren.

Die Doppelschichtstruktur (Abb. 2(a)) ist allerdings nicht in der Lage, den unterschiedlichen Anforderungen der vier Prozesse für das Erreichen einer möglichst hohen Effizienz gerecht zu werden. So ist zum Beispiel für eine hohe Absorption von Licht eine Akzeptorschicht von ca. 100 nm nötig. Gleichzeitig jedoch beträgt die typische Diffusionslänge von Exzitonen nur ein Zehntel davon, sodass bei einer für hohe Absorption nötigen Schichtdicke nur ein geringer Bruchteil der erzeugten Elektron-Loch-Paare die Schnittstelle erreicht und der Großteil für die Gewinnung elektrischer Energie verloren geht. Daher richtet sich der Fokus der Entwicklung auf alternative Strukturen aus Mehrschichtsystemen, wie Volumenheterostrukturen (Abb. 2(b)) oder geordneten Heterostrukturen (Abb. 2(c)), die gleichzeitig hohe Absorption von Licht und kurze Distanzen zu den Schnittstellen ermöglichen.

Die relevanten Prozesse in den anderen organischen Bauelementen, wie organische LEDs oder auch organische FETs, sind denen in organischen Solarzellen vom physikalisch-chemischen Standpunkt her sehr ähnlich. Gemeinsam ist allen, dass die Effizienz der bereits skizzierten Prozesse durch verschiedenste Eigenschaften bestimmt wird: Auf molekularer Ebene spielen deren elektronische Eigenschaften eine entscheidende Rolle, denn sie bestimmen letztendlich die Charakteristiken der erzeugten Elektron-Loch-Paare und beeinflussen stark den Ladungsträgertransport. Die atomare Struktur der Moleküle oder Polymere ist sowohl für die Verarbeitung (z.B. durch das Anbringen von Seitenketten zur Löslichkeit) als auch für deren Organisation in der Morphologie verantwortlich.

Typische Beispiele für die verwendeten Moleküle sind in Abbildung 3 zu sehen: Das Polymer Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) fungiert dabei in organischen Solarzellen in einer Mischung als Akzeptor, das Fulleren PCBM – eine Fußball-ähnliche Struktur aus Kohlenstoffatomen – als Donor. Schließlich spielt wie schon erwähnt die tatsächliche Schicht- und Grenzflächenstruktur, d.h. die Anordnung einzelner Moleküle zueinander, eine wichtige Rolle.

Wirkungsgrad vorab simulieren

Ziel ist es, unter Beachtung dieser komplexen Zusammenhänge Regeln für die Entwicklung und den Aufbau von organischen Solarzellen (design rules) aufzustellen. Dazu müssen die Beziehungen zwischen Struktur, Eigenschaften und Verarbeitung (structure-property-processing relationships) bekannt und verstanden sein.

Alle Aktivitäten im Bereich der organischen Elektronik werden durch intensive Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen innerhalb des MPI für Polymerforschung betrieben. Dazu zählen insbesondere die Synthese von neuen Materialien (AK Müllen) sowie die Arbeiten der Gruppe „Organische Optoelektronik“ (Frederic Laquai) zur Charakterisierung und Bauteilanalyse. Auch sind die Bemühungen eng in externe Kollaborationen eingebunden, beispielsweise innerhalb des DFG-Schwerpunktprogramms 1355 „Elementarprozesse der Organischen Photovoltaik“, internationalen Kollaborationen mit dem Imperial College London und der University of Warwick sowie in enger Zusammenarbeit mit industriellen Partnern (Konarka, BASF, Heliatek). Die Rolle von Theorie bzw. Simulation in diesem Zusammenhang besteht darin, den Zusammenhang zwischen molekularen Eigenschaften, den Charakteristika der Morphologie und der tatsächlichen Bauteilleistung zu ergründen. Experimentelle Verfahren haben oft den Nachteil, nur gemittelte Daten zu erzeugen, bei denen Informationen über die Eigenschaften einzelner Moleküle verloren gehen. Demgegenüber erlauben Simulationen Aussagen über genau diese Eigenschaften. Dies kann von großer Bedeutung sein, wenn man bestimmen möchte, wie sich Änderungen an der molekularen Struktur, wie z.B. das Anbringen von speziellen Seitengruppen an ein Basismolekül, letztlich auf die Bauteilcharakteristik auswirken. Dieses Wissen ermöglicht dann im Rückschluss eine gezieltere Entwicklung effizienterer Systeme.

Molekulare Grundlagen organischer Bauteile ergründen

Im Jahr 2010 wurde die bislang höchste Effizienz für organische Solarzellen in Höhe von 8,3 % erzielt. Speziell die Firma Heliatek und das Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) in Dresden verwendeten dabei kleine, auf Thiophen¹ basierende Moleküle mit elektronenentziehenden Endgruppen, die in dünne Filmstrukturen eingebracht wurden. Erste theoretische Untersuchungen zu einer amorphen Phase des verwendeten Materials wurden am MPI für Polymerforschung durchgeführt.

Die relevanten Eigenschaften der Systeme betreffen dabei im Allgemeinen verschiedene Längenskalen (Abb. 4). Auf der Nanometerskala sind quantenmechanische Rechnungen nötig, um sowohl die atomare, als auch die elektronische Struktur der Einzelmoleküle zu bestimmen. Informationen beispielsweise über Molekülorbitale, also Bereiche, in denen sich eine Ladung aufhält (Abb. 4(c)), lassen im Zusammenspiel mit Daten über die Orientierung von Molekülen zueinander² Aussagen über die Mobilität der Ladungsträger zu. Wiederum geben quantenmechanische Rechnungen Auskunft über Wahrscheinlichkeiten für den Übergang eines Ladungsträgers zwischen zwei Molekülen. Diese Übergangsraten hängen empfindlich von der Orientierung der Moleküle zueinander ab. Mithilfe eines kinetischen Monte-Carlo-Algorithmus werden entsprechende Ratengleichungen gelöst, die die Dynamik der Ladungsträger in der gesamten Morphologie liefern. Die Informationen können dann genutzt werden, um die Leistung eines Bauteils in makroskopischen Simulationen (in Kontinuumsmodellen) zu bewerten. Eine Kombination der einzelnen Ansätze in einem sogenannten Multiskalenverfahren ist daher zwingend für eine bottom-up Beschreibung der jeweiligen Charakteristika erforderlich. Die Implementation eines solchen Verfahrens, das Quantenchemie, Molekulardynamiksimulationen und kinetische Monte-Carlo-Rechnungen miteinander verbindet, sowie die dazu nötige Methodenentwicklung [1-4], wurde am MPI für Polymerforschung in jüngster Zeit betrieben und erfolgreich auf die Analyse der Eigenschaften des Ladungstransports angewendet, wie z.B. in diskotischen Flüssigkristallen [5], organischen Kristallen [6], kolumnaren Strukturen von Makrozyklen [7] sowie amorphem Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) [8].

¹ Thiophen ist eine organische Verbindung aus vier Kohlenstoff- und einem Schwefelatom.

² Solche Daten lassen sich aus Molekulardynamiksimulationen von Systemen der Größenordnung von 10 bis 100 nm gewinnen.