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Druckprozess verbessern: Physiker der TU München arbeiten unter anderem daran, die Leitfähigkeit der entstehenden Leiterbahnen genau einstellen zu können. Bild: TU München
Elektronikbauteile nach Maß

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Designer-Solarzellen aus dem Drucker

Physiker arbeiten an Druckverfahren für maßgeschneiderte organische Elektronik

Solarzellen aus dem Drucker – das schien vor wenigen Jahren noch undenkbar. Zur klassischen Siliziumtechnik gab es kaum Alternativen. Mittlerweile können Touchscreens, Sensoren und Solarzellen aus elektrisch leitfähigem Kunststoff gefertigt werden. In Entwicklung sind flexible Monitore und Leuchttapeten, die aus organischen Leuchtdioden, kurz OLED, bestehen.

Die „Organische Elektronik“ gilt als vielversprechender Zukunftsmarkt, denn gedruckte Mikroelektronik-Bauteile aus Kunststoff sind dünn, leicht, flexibel, lassen sich kostengünstig und ohne großen Energieaufwand herstellen. Die Technologie hat jedoch ihre Tücken: Um die gewünschten Bauteile industriell herzustellen, muss man leitende, halbleitende oder isolierende Schichten in einer bestimmten Abfolge auf eine Trägerfolie aufdrucken. Ein hochkomplexer Vorgang, dessen Details erst noch vollständig verstanden werden müssen, um maßgeschneiderte Anwendungen zu ermöglichen.

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.

Polymere im Röntgenlicht

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 das Team der TUM 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. Die hochintensive Röntgenstrahlung erzielt eine sehr hohe Zeitauflösung.

Maßgeschneiderte Eigenschaften

Die Forscher konnten erstmals zeigen, dass schon kleine Veränderungen der physikalisch-chemischen Prozessbedingungen Aufbau und Eigenschaften der Schicht erheblich beeinflussen. Stabilität und Leitfähigkeit lassen sich so weit steigern, dass sich das Material nicht nur als Blockierschicht, sondern als transparenter, elektrischer Kontakt einsetzen lässt. Damit ließen sich die spröden Indium-Zinn-Oxid-Schichten ersetzen. Theoretisch könnten dann alle Schichten nach dem gleichen Verfahren hergestellt werden.

Damit dies eines Tages möglich wird, wollen die TUM-Forscher das Elektrodenmaterial weiter untersuchen, optimieren und ihr Know-how der Industrie zur Verfügung stellen. Es sei eine Grundlage geschaffen, um mit künftigen Untersuchungen die Materialentwicklung so weit vorantreiben zu können, dass Industrieunternehmen diese aufgreifen können.

Weitere Informationen

Bei der "Langen Nacht der Wissenschaften“ am 27. Juni 2015 auf dem Campus Garching stellt Physikerin Dr. Eva Herzig in einem Vortrag um 18.35 Uhr im Institute for Advanced Study der TUM das Gebiet der „Organischen Elektronik “ vor.

Publikation: The Crystallization of PEDOT:PSS Polymeric Electrodes Probed In Situ during Printing , Claudia M. Palumbiny, Feng Liu, Thomas P. Russell, Alexander Hexemer, Cheng Wang, and Peter Müller-Buschbaum, Advanced Materials, 10. Juni, 2015, 27, 22, 3391-3397 – DOI: 10.1002/adma.201500315

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