Designer-Elektronik aus dem Drucker

Solarzellen aus dem Drucker? Das schien vor wenigen Jahren noch undenkbar. Es gab kaum Alternativen zur klassischen Silizium­technik. Mittlerweile können Touchscreens, Sensoren und Solarzellen aus elektrisch leitfähigem Kunststoff gefertigt werden. In Entwicklung sind flexible Monitore und Leuchttapeten, die aus organischen Leucht­dioden, kurz OLEDs, bestehen. Die „Organische Elektronik“ gilt als vielver­sprechender Zukunfts­markt.

Die Technologie hat jedoch ihre Tücken: Um die gewünschten Bauteile industriell herzustellen, sind leitende, halbleitende oder isolierende Schichten – jede von ihnen tausendmal dünner als ein Haar – in einer bestimmten Abfolge auf eine Trägerfolie aufzudrucken. „Dies ist ein hoch­komplexer Vorgang, dessen Details vollständig verstanden werden müssen, um maßge­schnei­derte Anwendungen zu ermöglichen“, erklärt Peter Müller-Buschbaum vom Lehrstuhl für Funktio­nelle Materi­alien der TU München.

Eine weitere Herausforderung ist die Kontaktierung der flexiblen, leitfähigen Schichten. Bisher werden dafür häufig elektrische Kontakte aus kristallinem Indium-Zinn-Oxid genommen. Dieser Aufbau hat jedoch mehrere Nachteile: Das Oxid ist spröder als die darüber liegenden Polymere, was die Flexi­bilität der Zellen einschränkt. Für die Herstellung wird außerdem viel Energie benötigt. Hinzu kommt, dass Indium zu den selteneren Elementen gehört, die nur in sehr begrenzten Mengen verfügbar sind.

Vor wenigen Monaten gelang es Forschern vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien erstmals die Vernetzung der Polymermoleküle in der aktiven Schicht einer organischen Solarzelle während des Druckens zu verfolgen. Zusammen mit den Kollegen aus Kalifornien nutzte nun Müller-Buschbaums Team diese Technik, um die Eigen­schaften der Polymer-Elektronik zu verbessern.

Für ihre Untersuchung verwendeten die Forscher Röntgen­strahlung, die am Synchrotron in Berkeley erzeugt wird. Das Röntgenlicht wird auf die frisch gedruckte Kunststoffschicht geleitet und dort gestreut. Die Veränderung des Streu­musters ermöglicht die Bestimmung der Anordnung und Orientierung der Moleküle beim Aushärten der gedruckten Filme.

„Dank der hochintensiven Röntgenstrahlung lässt sich eine sehr hohe Zeitauflösung erzielen“, sagt Claudia Palumbiny. Die TUM-Physikerin untersuchte in Berkeley die „Blockier­schicht“, die in der organischen Elektronik die Ladungs­träger sortiert und selektiv transportiert. „Wir konnten erstmals zeigen, dass schon kleine Verände­rungen der physikalisch-chemischen Prozess­bedingungen Aufbau und Eigen­schaften der Schicht erheblich beein­flussen“, sagt Claudia Palumbiny. „Die Zugabe von Lösungs­mitteln mit hohem Siedepunkt führt beispielsweise dazu, dass sich die Kunststoff­komponenten leichter entmischen. Dies hat zur Folge, dass die leitfähigen Moleküle besser kristal­lisieren. Der Abstand zwischen den Molekülen nimmt ab und die Leitfähigkeit steigt.“

Stabilität und Leitfähigkeit lassen sich auf diese Weise so weit steigern, dass sich das Material nicht nur als Blockier­schicht, sondern sogar als transpa­renter, elektrischer Kontakt einsetzen lässt. Damit ließen sich die spröden Indium-Zinn-Oxid-Schichten ersetzen. „Im Ergebnis hieße das, dass alle Schichten nach dem gleichen Verfahren hergestellt werden könnten,“ erläutert Palumbiny. „Das wäre für die Hersteller ein großer Gewinn.

Damit dies eines Tages möglich wird, wollen die TUM-Forscher das Elektroden­material weiter untersuchen, optimieren und ihr Know-how der Industrie zur Verfügung stellen. „Wir haben jetzt die Grund­lage dafür geschaffen, mit künftigen Untersuchungen die Material­entwicklung so weit voran­treiben zu können, dass Industrie­unternehmen diese aufgreifen können“, erklärt Müller-Buschbaum.

TUM / OD