Polymer-Elektroden: Beschichtung verringert Austrittsenergie

Organische Leuchtdioden (OLEDs) oder flexible Solarzellen brauchen Elektroden mit einer möglichst geringen Austrittsenergie für Elektronen. Heute werden dazu aufwendig Metalle wie Kalzium, Magnesium oder Aluminium aufgedampft. Diese lassen sich künftig druch Polymer-Elektroden ersetzen. Den Schlüssel dazu fanden amerikanische Forscher in einer Kunststoffbeschichtung, die sie einfach mit einer flüssigen Lösung auf verschiedene Materialien auftragen. Das senkt die Produktionskosten jeder Art von Plastikelektronik und macht biegsame Solarzellen und flache Lampen aus organischen Leuchtdioden preiswerter.

Schon lange suchen die Hersteller von organischen Leuchtdioden und Solarzellen oder flexiblen Transistorfolien nach einem Material, um die bisher aufgedampften und chemisch aktiven metallischen Elektroden zu ersetzen. Mit dem Kunststoff Polyethylenimin, kurz PEI, sind Bernard Kippelen und seine Kollegen vom Georgia Institute of Technology in Atlanta nun fündig geworden. Eine Lösung mit diesem Polymer mit aliphatischen Amingruppen gossen die Forscher direkt an der Luft auf zahlreiche, teils durchsichtige und biegsame Elektroden-Werkstoffe wie Gold, Indiumzinnoxid oder Graphen. An allen diesen Materialien haftete die Polymerschicht über Van-der-Waals-Kräfte relativ fest an.

Ein hauchdünne Polymerschicht reichte aus, um das elektrostatische Potenzial der Trägersubstanzen zu verringern. Dadurch erniedrigt sich die Energie, die zum Austritt von Elektronen aus der Elektrodenoberfläche nötig ist. Mit kleinen Austrittsenergien von etwa 3,5 Elektronenvolt erfüllten die PEI-Elektroden die wichtigste Anforderung für ihren Einsatz in Elektronikmodulen auf Kunststoffbasis und erreichten vergleichbare Werte wie aufgedampfte Metallelektroden.

Ersten Versuche nach erfüllen die neuen Polymer-Elektroden in organischen Leuchtdioden, Solarzellen und Transistorflächen annähernd ihre Aufgabe ebenso gut wie die bisher genutzten Metallelektroden. Auch eine Solarzelle, die komplett aus Kunststoffen aufgebaut ist, konnten Kippelen und Kollegen mit den PEI-Schichten fertigen. Dieser Prototyp erreichte einen Wirkungsgrad von 5,9 Prozent und steht damit organischen Solarzellen mit Metallelektroden in der Stromausbeute kaum nach.

Gegen Hitze zeigten sich die PEI-Elektroden bis etwa 150 Grad stabil. Weiteren Versuchen müsste noch die Haltbarkeit gegen mechanische Beanspruchung wie Biegen oder Rollen belegen. Bewähren sich die Elektroden, könnte in Zukunft die Produktion jeder Art von Plastikelektronik deutlich günstiger werden. In schnellen Rolldruckverfahren gefertigte flexible Leuchtflächen und Solarzellen von einigen Quadratmetern Größe rücken damit der Marktreife einen großen Schritt näher. „Die aktuellen Hürden hin zu billigen, flexiblen Modulen könnten damit in naher Zukunft überwunden werden“, kommentiert der an der Studie nicht beteiligte Michael Helander von der University of Toronto.

Jan Oliver Löfken

OD