Organische Elektronik - eine Zukunft des Forschungsstandortes Deutschland -

Inwieweit kann die „Grüne Elektronik“ die herkömmlichen Techniken revolutionieren?

Antonia Herzog, Rosa Scherer

Gliederung• Einführung• Grundlagen organischer Halbleiter• Organische Photovoltaik

- Aufbau

- Funktion

- Anwendungen

- Vor-und Nachteile• Organische Leuchtdiode

- Aufbau

- Funktion

- Anwendungen

- Vor-und Nachteile• Weitere Anwendungsfelder• Forschungsstandort Deutschland

- Förderung

- Internationaler Vergleich

- Weltmarkt• Fazit• Quellen

Einführung

• Teilgebiet der Elektronik

• organisch: Verbindung aus Kohlenwasserstoffen

• leitfähige organische Verbindungen

• Halbleiter: Leiter und Nichtleiter

Bild 1: Organische Elektronik auf dünner PET-Folie

Grundlagen organischer Halbleiter

Intramolekulare Leitfähigkeit

• sp2-Hybridisierung des Kohlenstoffs

• π- und σ-Bindungen

• konjugierte Struktur

delokalisiertes π-Elektronensystem

Bild 2: Orbitaldarstellung von Ethen

kleinere Moleküle

Polymere

Bild 3: Einteilung nach Art der Moleküle

Aufspaltung der Energieniveaus im Molekül

Bild 4: Aufspaltung der Molekülorbitale im Benzol

≙ Leitungsband

≙Valenzband

Intermolekularer Ladungstransport

• in ungestörten kristallinen Verbänden:

Band-ähnlicher Transport (über HOMO und

LUMO)• bei höherer Temperatur und in ungeordneten Halbleitern:

Hopping-Transport

• Dotierung: Verkleinerung der Bandlücke

http://www.theopenmag.org/wp-content/uploads/2010/06/133574_startblatt_Fraunhofer_ISE_Solarstrom_aus_Plastik-600x493.jpg

Organische Photovoltaik

Bild 5

Aufbau

Bild 6: Aufbau einer Polymersolarzelle

Funktion

Donator-Akzeptor-Gemisch

• zwei verschiedene Halbleiter:

Donator - geringe Elektronenaffinität

Akzeptor - hohe Elektronenaffinität

Bild 7: PolymerBild 8: Fulleren

Erzeugung von Ladungsträgern

• Absorption von Photonen

• Entstehung von Exzitonen

Bild 9: Energieniveaus

Trennung von Ladungsträgern

• Trennung der Exzitonen

an der Grenzfläche zu einem

Akzeptor

• Entstehung von freien Ladungsträgern

• Exzitonen müssen in kurzer Zeit

auf die Grenzflächen treffen

aktive Schicht aus Donator-Akzeptor-

MischungBild 10: Donator-Akzeptor- Mischung

Ladungsträgertransport

• Löcher über Donator

Anode• Elektronen über Akzeptor

Kathode

• Anschluss eines Verbrauchers:

Entstehung eines elektrischen

Feldes

Licht

Exziton

Elektron

Loch

Bild 11: Ladungsträgertransport

Bild 12: zukünftiges Laden eines Handys

Anwendungen

• Stromversorgung elektronischer

Kleingeräte

• an Häuserfronten, schattenspendende

Strukturen, Design und Architektur

• auf Textilien

Bild 13

Vorteile

• flexibel, dünn, leicht

• geringe Herstellungskosten

• hohe Umweltverträglichkeit

• zweckoptimiertes Moleküldesign

• farbig und transparent

Bild 14: Organische Solarzellen an einer Fassade

Nachteile

• noch geringe Effizienz

Wirkungsgrad bei maximal 10,6%

• geringe Lebensdauer

• anfällig für Wasser, Hitze, UV-Licht und Sauerstoff

• Verkapselung notwendig

Flexibilität wird eingeschränkt

Bild 15

AufbauEinschicht-OLED:

Bild 16: Aufbau einer Einschicht-OLED

Funktion

Elektrolumineszenz

Bild 17: Funktionsweise einer Einschicht-OLED

1) Ladungsbereitstellung

durch die Elektroden

2) Ladungsinjektion

3) Ladungstransport

4) Bildung eines

Elektron-Lochpaares

5) Exziton im S1-Zustand

6+7) Zerfall unter

Lichtemission

MolekulareEnergieniveaus

Exziton

Bild 18: Elektrolumineszenz auf den Energieniveaus

Mehrschicht-OLED

Bild 19: Aufbau einer Mehrschicht-OLED

Bild 20: OLED-Fernseher von LG (CES 2012)

Anwendungen

• OLED-Displays: in tragbaren Geräten und als TV-

Displaysaufrollbare Bildschirme

• OLED-Lichtquellen:

Beleuchtung und Beschilderung

Bild 21

DisplaysVorteile Nachteile

• direkte Emission farbigen

Lichtes

keine Hintergrundbeleuchtung

• ausgezeichnete Farbdarstellung

• sehr hoher Kontrast

• geringer Energiebedarf

• dünn, hohe Reaktionszeit,

flexibel

• Lebensdauer

• Verkapselung

• Partikelbelastung

„Dark Spots“

• heute noch teuer

Bild 22: flexibles Display

BeleuchtungVorteile Nachteile

• gute Farbqualität

• effiziente

Flächenlichtquelle, wird

nicht heiß

• dünn, leicht, niedrige

Herstellungskosten

• Lebensdauer

• Verkapselung

• noch teuer

Weitere Anwendungsfelder

• OFET

• „Wegwerfelektronik“

Der Forschungsstandort Deutschland

Bild 23

Förderung

Bundesministerium für Bildung und Forschung

• „OLED Initiative“:

100 Mio. € aus öffentlicher Hand

500 Mio. € von der Industrie

• „Innovationsallianz Organische Photovoltaik“:

60 Mio. € aus öffentlicher Hand

300 Mio. € aus Industrie

• Hightech-Strategie

Weitere Förderung

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Grundlagenforschung

• landesspezifische Fördermaßnahmen auf

Bundesebene

• Förderung auf europäischer Ebene

143 Mio. €

Internationaler Vergleich

• Wettbewerb zwischen Asien, USA, Europa• Chancen für Deutschland:

OLED Beleuchtungs-Produkte

OPV und OFET

Bild 24: Zentren der Organischen Elektronik

Internationaler Vergleich• Asien: bereits marktreife OLED-Displays in mobilen

Geräten (Samsung, LG, Sony)• USA: v.a. Organische Photovoltaik (Konarka

Technologies)• Asien und USA: Drängen zur Kommerzialisierung

Bild 24: Zentren der Organischen Elektronik

Weltmarkt• OLED-Displays (2011):

Produktion: 90 Mio.

Umsatz: 4 Mrd. US $ (DisplaySearch)

weiterhin starker Anstieg in den nächsten Jahren (OLED-

Fernseher)

• organische Photovoltaik (2011):

Umsatz: 4,6 Mio. US $

2022: 630 Mio. US $

FazitOrganische Elektronik Anorganische Elektronik

• lange Entwicklungszeit

• übertrifft in der Leistung

die OE in vielen

Bereichen

• viele Vorteile

• teilweise noch enormer

Entwicklungsbedarf

Fazit• Deutschland hat eine gute Ausgangsposition• gute Aussichten, wenn Schwächen beseitigt werden

keine Revolution, sondern Ergänzung um viele neue Anwendungen

Bild 25: OLED

QuellenLiteratur:Pagliaro, Mario, und Palmisano, Giovanni, und Ciriminna, Rosaria: Flexible Solar Cells, Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 1. Auflage 2008

Jäger, Fredy: Photovoltaik: Strom aus der Sonne; Technologie, Wirtschaftlichkeit und Marktentwicklung, Karlsruhe: C. F. Müller 1986

Rindelhardt, Udo: Photovoltaik Stromversorgung, B. G. Teubner, 1.Auflage August 2001

Brabec, Christoph, und Dyakonov, Vladinir und Scherf, Ulrich: Organic Photovoltaics: Materials, Device Physics, and Manufacturing Technologies, Weinheim: Wiley-VCH 2008

Wagemann, Hans-Günther und Eschrich, Heinz: Photovoltaik: Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben, Wiesbaden; Vieweg+Teubner, 2. Auflage 2010

Leitung: Tkotz, Klaus: Fachkunde Elektrotechnik, Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel, 27. Auflage 2009

acatech BERICHTET UND EMPHIELT-Nr.6: Organische Elektronik in Deutschland, Bewertung und Empfehlungen für die Weiterentwicklung, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Zeitschriften:Chemie Unserer Zeit : Organische Solarzelle, Energie, Weinheim: Wiley-Vch Verlag 2010, 44, 174-189

Physik Journal 7 Nr.5: Grundlagen der Organischen Halbleiter, Weinheim: Wiley-Vch Verlag 2008

Optik & Photonik: OLED in der Anwendung, Weinheim: Wiley-VCH Verlag 2008

Quellen• http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2003/th2003_06_03.pdf , 24.4.2012 11:27• http://www.erneuerbareenergien.de/organische-solarzellen-in-der-fassade/150/406/31775/ , 24.4.2012 12:57• http://www.solarserver.de/solar-magazin/solar-report/farbstoff-solarzellen-und-organische-photovoltaik.html , 24.4..2012, 14:44• http://zae.uni-wuerzburg.de/deutsch/abteilung-2/arbeitsgebiete/organische-photovoltaik/kunststoffsolarzellen.html, 2.5.2012,

18:12• http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2003/th2003_06_03.pdf, 3.5.2012, 12:03 • http://shelx.uni-ac.gwdg.de/~rherbst/eirmer/html/ChEA2010/Woehrle_Solarzellen.pdf Funktionsweise, 3.5.2012, 12:55• http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_LMprak_organische_solarzellen.pdf, 30.4.2012, 18:06• http://intern.ipv.uni-stuttgart.de/content/web9/docs/OrganischeSolarzellen.pdf, 2.5.2012, 17:29 • http://www.heliatek.com/?page_id=107, 15.5.2012, 10:54 • http://www.weltderphysik.de/gebiete/technik/energie/gewinnungumwandlung/solarenergie/photovoltaik/organische-solarzellen/,

17.5.2012: 11:03 • http://www.pv-uni-netz.de/img/Jahrestagung2003/uv_4_organische_01.pdf , 20.4.2012, 13:18 • http://www.solarserver.de/solar-magazin/solar-report/farbstoff-solarzellen-und-organische-photovoltaik.html 21.5.2012 18:11• http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/10/1209113927393-7673.pdf 18:34 • http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/oled.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/aufbau.vscml.html,

26.April 18:46• http://www.elektroniktutor.de/bauteile/oled.html, 18.5.2012, 18:34• http://www.ifkp.tu-berlin.de/fileadmin/i1/Kneissl/IS08_OLED_PR.pdf, 25.5.2012, 21:05• http://www.oled-fernseher-vergleich.de/2010/07/vorteile-der-oled-displays-gegenuber-bisherigen-technologien/, 27.4.2012, 14:23• http://www.osram.de/osram_de/trends-und-wissen/oled--home/professionelles-wissen/index.jsp, 27.4.2012, 14:31• http://weblogs.mki.fh-duesseldorf.de/driversdesktop/LED_OLED_Recherche.pdf, 27.4.2012, 14:39• http://www.computerbild.de/artikel/avf-Aktuell-TV-Samsung-Super-OLED-Fernseher-Marktstart-und-Preis-bekannt-7092559.html,

2.5.2012, 16.17• http://www.morgenpost.de/web-wissen/article106161419/Das-Super-Fernsehen-ist-jetzt-serienreif.html, 2.5.2012, 16:32• http://www.iapp.de/~mi-hoffm/Pdf/ScriptOrgHL06.pdf, 2.5.2012, 17:34• http://www.bmbf.de/de/16267.php, 22.5.2012, 19:09• http://www.pt-it.pt-dlr.de/de/2061.php, 22.5.2012, 20:29• http://www.pro-physik.de/details/physiknews/1424111/Zukunftspreis_fuer_organische_Elektronik.html, 1.2.2012, 9:57

Internet:

Quellen • Bilder auf Deckblatt:: Organische Solarzelle: http://solarthemen.de/wordpress/wp-• content/uploads/2009/11/_p_316_8.jpg, 26.5.2012, 17:27• Origami-OLED: http://cache.gizmodo.com/assets/images/4/2010/08/oled_origami.jpg,

26.5.2012, 17:27• Bild 1: http://tmcpartners.com/images/pecircuit10web.jpg, 26.5.2012, 17:27• Bild 2: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_2/illustr/c2-h4_1_klein.gif, 26.5.2012, 17:28• Bild 3: http://www.elektroniktutor.de/bauteile/oled.html, 26.5.2012, 17:28• Bild 4: Christian Uhrich, Dissertation: Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen, Dresden 2008,

26.5.2012, 17:28• Bild 5: eigenes Foto• Bild 6: http://www.ehf-hybrid.uni-oldenburg.de/49048.html, 26.5.2012, 17:29• Bild 7, 8: eigene Bearbeitung nach

http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200604/bilder/0406_solar_dia_1.html, 26.5.2012, 17:31• Bild 9: eigene Darstellung• Bild 10: http://www.light.t.u-tokyo.ac.jp/english/photovoltaic/Intro_2.gif, 26.5.2012, 17:32• Bild 11: eigene Bearbeitung nach

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e9/Chargeseperation_mike.JPG/180px-Chargeseperation_mike.JPG, 26.5.2012, 17:35

• Bild 12: http://www.etagreen.com/archive/763614/Organische-Solarzellen-Interview-mit-Dr.-Jens-Hauch-und-Alexander-Valenzuela.html, 26.5.2012, 17:35

• Bild 13: http://www.cleanthinking.de/wp-content/uploads/Organische-Photovoltaik-Solar-Sonnenschirm.png, 26.5.2012, 18:03

• Bild 14: http://www.solarserver.de/uploads/pics/power_plastic_gebaeudeintegrierte_photovoltaik.JPG, 26.5.2012, 18:05

• Bild 15: http://www.lighting.philips.de/pwc_li/de_de/lightcommunity/trends/oled/Press%20Material/Living%20Shapes%20Bilder/Lumiblade_22_Farbe.jpg, 26.5.2012, 18:07

Bilder:

Quellen• Bild 16, 17: eigene Bearbeitung nach http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/oled.vlu/

Page/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/aufbau.vscml.html, 26.5.2012, 18:08• Bild 18: eigene Darstellung• Bild 19: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/oled.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/neu/

oled/dicke.vscml.html, 26.5.2012, 18:08• Bild 20: http://www.heise.de/imgs/18/7/5/5/0/0/2/8dac9123289d6ba2.jpeg, 26.5.2012, 18:10• Bild 21: http://www.heise.de/imgs/18/7/6/0/7/5/9/OLED_LG_55_Zoll.jpg-d0b872be2ba23782.jpeg, 26.5.2012, 18:10• Bild 22: http://www.oled-online.de/wp-content/uploads/2011/03/OLED-Display.jpg, 26.5.2012, 18:11• Bild 23: http://www.bwstiftung.de/uploads/pics/Forschung_1.jpg, 26.5.2012, 18:13• Bild 24: http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/

Publikationen/Projektberichte/acatech_Berichtet-und-Empfiehlt_organische-Elektronik_WEB.pdf, 26.5.2012, 18:14• Bild 25: http://www.photonikforschung.de/fileadmin/MEDIENDATENBANK/SERVICE/news/2011-12%20Dezember/

15.12.11_Team2-OLED-So-Light.jpg, 26.5.2012, 18:16

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!