Wir leben heute in einer Informations- und Mediengesellschaft. Dafür brauchen wir Bildschirme und Energiequellen. In den besten Fällen wird die Energie von Solarzellen erzeugt und die Bildschirme mit Leuchtdioden (LED’s)  betrieben. Derzeit sind die verwendeten Solarzellen und Leuchtdioden häufig auf der Basis von Silizium und anorganischen Materialien gefertigt. Die Produktion ist sehr aufwändig und verbraucht viel Energie. Dies macht sie nicht  wirklich umweltfreundlich.

Es geht aber auch anders!

Zum Beispiel mit organischen Solarzellen und Leuchtdioden (OLED’s). Diese sind einfacher aufgebaut und bestehen größten Teils aus organischen Substanzen. Dadurch ist die Produktion energiesparender als der konventionelle Aufbau mit Siliciumchemie und demzufolge viel umweltfreundlicher. Überdies bieten OLED’s und Plastiksolarzellen auch technisch viele weitere Vorteile, wie z.B. enorme Flexibilität. Da in OLED’s und Plastiksolarzellen so ein enormes Potenzial steckt,  haben wir uns mit einfachen schulischen Mitteln mit diesem Thema näher auseinandergesetzt und sowohl eine OLED als auch eine Plastiksolarzelle gebaut.

 Funktionsweise Solarzelle/OLED

Aufbau: OLEDs und Solarzellen haben das gleiche Substrat: Glas mit ITO (Indium-Zinn-Oxid Metallelektrode) beschichtet als Grundlage. Darauf werden verschiedene leitfähige bzw. photoaktive Polymere aufgebracht. Die Kontaktierung erfolgt in unseren Verfahren über Kupfer/Galinstan (flüssige Legierung aus Gallium, Indium und Stannum).

Grundsätzlich sind OLED‘s als auch Plastiksolarzellen der Abbildung entsprechend aufgebaut. Nur die photoaktive Schicht besteht aus unterschiedlichen Polymeren. Dies liegt daran, dass OLED’s und Plastiksolarzellen verschiedene Anforderungsbereiche haben. Die Plastiksolarzelle muss Photonen absorbieren, um Energie zu erzeugen und die OLED muss Photonen emittieren, um Licht zu erzeugen. Daher besitzt die OLED eine lichtemittierende Polymer-Schicht und die Plastiksolarzelle eine Absorptionsschicht.

Das ITO wurde auf das Glas aufgedampft. Dies ist mit unseren Mitteln nicht herzustellen und wurde von der Firma Merck zur Verfügung gestellt. Der darauf liegende polymere Lochleiter wird zur Glättung der unebenen ITO-Glasscheibe genutzt. Er wird mittels Elektrolyse durch anodische Oxidation oder durch Aufschleudern aufgebracht.

Die darauf folgende photoaktive Schicht aus organischen Stoffen wird aufgeschleudert.

Die abschließende Metall-Elektrode wird mit doppelseitigem Klebeband festgeklebt. Die Anbindung erfolgt mit flüssigem Metall (Gallinstan), das in ein Vertiefungen unter der Metall-Elektrode gefüllt wird, um die leicht verletzliche circa 100 nm dicke photoaktive Schicht nicht zu beschädigen. Letzteres würde zu Kurzschlüssen führen.

Technische Herstellungsverfahren von OLED’s bzw. Plastiksolarzellen werden durch Drucken mit feinsten „Tintenstrahldruckern“ (Nanodrucker) oder Siebdruck in Reinräumen unter Schutzgas realisiert. Die Metallkontaktierung auf der Anoden- bzw. Kathodenseite wird durch Aufdampfen im Hochvakuum vorgenommen.  

Kennlinie der selbst gebauten 2*3cm großen Zelle mit einer maximalen Leistung fast im mW-Bereich mit einer photoaktiven Schicht aus Poly(3-hexylthiophen), (P3HT) und Phenyl-C61-butansäuremethylester (PCBM)

Theoretische Grundlagen

Die OLED soll Licht erzeugen. Dieses Licht wird in der photoaktiven Schicht durch die Rekombination von Elektronenlöchern und Elektronen erzeugt.

Währende die OLED auf den Effekt der Rekombination basiert, macht sich die Plastiksolarzelle den Effekt der Dissoziation (Ladungstrennung) zu Nutze. Beide Vorgänge lassen sich durch das Bändermodell erklären:

In Atomen existieren diskrete Energieniveaus (Atomorbitale). In Atomgittern existieren viele gleichartige Elektronenzustände, welche in unterschiedliche Niveaus, d. h. Energiebänder bestimmter Breite aufspalten, wobei ein Valenzband und ein Leitungsband entstehen, welche durch eine mehr oder weniger große Bandlücke getrennt sind. Dieses Bändermodell, ursprünglich für die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen entwickelt, lässt sich auch auf organische Polymere übertragen. In Molekülen überlagern sich Atomorbitale zu Molekülorbitalen. Bei der Zusammensetzung vieler Moleküle (Monomere) zu Polymeren entstehen ebenso Energiebänder. Das höchste besetzte Molekülorbital wird HOMO oder Valenzband genannt und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital wird LUMO oder Leitungsband genannt. In Isolatoren sind HOMO und LUMO durch eine große Bandlücke getrennt, in Halbleitern ist die Bandlücke kleiner, in Metallen überlappen sie sich, bzw. die Bandlücke ist sehr klein und thermisch überwindbar. Deshalb sind Metalle elektrisch leitfähig.

Bei einer OLED kann man durch Anlegen einer Spannung Elektronen über eine Kathode ins Leitungsband bringen und durch Wegnahme von Elektronen über die Anode Löcher im Valenzband entstehen lassen. Die Elektronen vom Leitungsband springen in die entstehenden Löcher und rekombinieren. Dabei kann Energie in verschiedenen Arten abgegeben werden, sowohl durch Emission von Licht als auch in Form von thermischer Energie. Die Rekombination kann aber auch an der Oberfläche mit Sauerstoff- bzw. Wassermolekülen stattfinden, was die OLED zerstört.

Durch Energiezufuhr (Lichteinstrahlung) kann man Elektronen vom HOMO ins LUMO heben. Im HOMO bleibt also ein Loch übrig. Diese Elektronen-Loch-Paar-Bildung wird Dissoziation genannt und findet in der lichtabsorbierenden Schicht einer Solarzelle statt. Die photoaktive Schicht in Plastiksolarzellen muss sehr dünn sein, damit möglichst wenige Rekombinationen stattfinden.

Funktion der Elektroden:

Die Elektroden haben die Funktion, die Elektronen bereit zu stellen (Kathode) bzw. wieder abzuziehen (Anode). Bei einer OLED, in der es vor allem um die Rekombination geht, ist das ITO-Glas die Anode und die Metall-Elektrode die Kathode. Der Stromfluss verläuft von der Metall-Elektrode zum ITO-Glas. Deshalb sollte die Metall-Elektrode aus einem Metall bestehen, welches einen hohen Elektronendruck hat (z. B. Aluminium, Magnesium).