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
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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
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