Schon vor der Wende hatten Forscher aus Dresden organische Halbleiter im Visier – als Basis für eine neue Form der Elektronik. Heute sind sie bei dieser zukunftsträchtigen Technologie führend.
„Wir haben ganz schön Prügel bezogen.” Inzwischen kann Karl Leo schmunzeln, wenn er an die Anfangszeit vor fast 20 Jahren zurückdenkt. Damals stieß die Idee, die er mit seinem Team vom Institut für Angewandte Photophysik der Technischen Universität Dresden entwickelt hatte, auf schroffe Ablehnung. „Das kann nicht funktionieren”, urteilte zum Beispiel ein Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft lapidar. Nun ist aus dem geschmähten Ansatz eine Erfolgsgeschichte „made in Germany” geworden. Vor wenigen Monaten erhielten Leo und zwei seiner Kollegen den Deutschen Zukunftspreis, eine der renommiertesten deutschen Auszeichnungen für angewandete Forschung. In Dresden ist aufgrund dieser Idee ein Verbund von kleinen Unternehmen entstanden, der sich eine weltweite Führungsrolle erkämpft hat.
Es geht um eine Schlüsseltechnologie mit gewaltigem Marktpotenzial: die organische Elektronik. Bisher dominiert in der Elektronik das anorganische Silizium. Doch der spröde Halbleiter ist schwer zu handhaben: Man muss ihn schmelzen, bei Temperaturen um 1000 Grad Celsius langsam auskristallisieren lassen und dann in dünne Scheiben, die sogenannten Wafer, schneiden. Eleganter wäre es, ein organisches Material zu finden: eine Art Farbstoff, der sich bei Zimmertemperatur auf ein beliebiges Substrat auftragen ließe.
Seit Jahren träumen Experten von so einer Billig-Elektronik. Doch Kohlenwasserstoff-Verbindungen zeichnen sich nicht gerade durch gute elektrische Leitfähigkeit aus. Sie werden sogar zur Isolation verwendet, etwa als bunte Kunststoffhüllen um Elektrokabel. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann man bestimmte organische Moleküle in einer regelmäßigen Struktur anordnen, gewissermaßen ein Kristallgitter imitieren. Die Dresdner gehen einen anderen Weg: Wie beim Silizium oder Galliumarsenid arbeiten sie mit einer molekularen Dotierung. Die unscheinbare Zutat wirkt auf den Elektronenfluss wie ein Gewürz auf den Geschmack von Speisen: kleine Menge – große Wirkung. Inzwischen können die Forscher mit einem Zusatz von einem Prozent Fremdmolekülen die elektrische Leitfähigkeit um den Faktor eine Million steigern.
Schon zur Jahrtausendwende stimmten die Ergebnisse im Labor zuversichtlich genug, um eine Ausgründung ins Auge zu fassen: Das Unternehmen Novaled entstand. Doch der Sprung vom behüteten Universitätsleben in den rauen Kapitalismus wurde vom Anschlag auf das World Trade Center überschattet, der mögliche Geldgeber verschreckte. Es dauerte quälend lange, um das nötige Startkapital von mehreren Millionen Euro aufzutreiben.
Aus der Garage an die Börse
Inzwischen ist aus der Garagenfirma ein 130-Mann-Betrieb geworden, der in den USA an die Börse gehen will. 2011 erzielte das Unternehmen zum ersten Mal einen Gewinn, immerhin 3,6 Millionen Euro. Dabei stellt Novaled gar nichts her. Das Unternehmen ist „fabless”, fertigungslos, wie es Gründer und Chef-Wissenschaftler Jan Blochwitz-Nimoth ausdrückt. Es hat sich darauf spezialisiert, organische Materialien zu entwickeln, die sich für elektronische Komponenten eignen. Hergestellt werden sie dann in Chemieunternehmen wie BASF, die die nötige Infrastruktur besitzen.
Die Entwicklung der Substanzen ist schwierig genug. Denn anders als bei den anorganischen Kristallen ist die Auswahl an möglichen Stoffen riesig. In der organischen Chemie lassen sich Moleküle fast beliebig zusammenstellen oder verketten. „Zwischen einem halben Jahr und vier Jahren dauert es, bis ein Team aus Chemikern und Physikern einen neuen brauchbaren Stoff gefunden hat”, sagt Blochwitz-Nimoth. Der Aufwand führt zu einem hohen Preis. Doch man braucht nicht viel davon, meist genügt weniger als ein Gramm pro Quadratmeter. Rund 500 Patente hat Novaled inzwischen angemeldet, das macht das Dresdner Unternehmen der weltweiten Konkurrenz überlegen.
Elektronik von der Rolle
Dass sich die Arbeit irgendwann auszahlen würde, lag auf der Hand. Denn die organische Elektronik wird seit Jahrzehnten als Hoffnungsträger gehandelt – spätestens seit 1987, als die Kodak-Wissenschaftler Ching Tang und Steve van Slyke die erste effiziente organische Diode (OLED) zum Leuchten brachten. Jahre später kam das erste Produkt auf den Markt, ein Autoradio-Display von Pioneer. Der erhoffte Durchbruch ließ dann zwar noch ein weiteres Jahr auf sich warten. Doch die Euphorie blieb ungebrochen, bis heute. „Die organische Elektronik wird unser Leben verändern”, prophezeit Leo vollmundig. Blochwitz-Nimoth setzt noch eins drauf: „Wir stehen am Anfang eines neuen Lichtjahrtausends.”
Die Technologie besticht durch viele Vorzüge. Vor allem sind bei der Herstellung keine hohen Temperaturen nötig. Die Dresdner Forscher dampfen den organischen Farbstoff im Vakuum bei rund 100 Grad Celsius auf. Sie sind deshalb nicht auf hitzebeständiges Glas als Substrat angewiesen, sondern können etwa auch PET-Folien verwenden. Das Plastikmaterial, aus dem viele Getränkeflaschen bestehen, ist leicht und flexibel. Das vereinfacht die Herstellung, weil man die Produkte wie am Fließband von „ Rolle-zu-Rolle” produzieren kann. Zudem ermöglicht es ganz neue Anwendungen: Fernsehschirme zum Einrollen etwa, transparente Photovoltaik-Zellen, die in Fensterscheiben integriert sind, oder Leuchttapeten, die ihr Licht flächig abgeben. Vier Anwendungsgebiete stehen im Fokus der Forscher:
· Displays für Handy, Fernseher oder Computer
· flächige Leuchten
· Solarzellen und
· einfache elektronische Schaltungen, etwa zum Kennzeichnen von Ware.
Derzeit liefern sich Forscher weltweit ein Rennen um die beste Ausgangsposition bei dem Milliardengeschäft. Allein der Beleuchtungsmarkt ist jährlich mehr als 100 Milliarden Dollar schwer. Bisher konnte sich die organische Elektronik nur bei kleinen Displays durchsetzen. Rund ein Drittel aller neuen Smartphones ist bereits mit OLED-Displays ausgestattet. Der Umsatz betrug 2011 rund 4 Milliarden Dollar. Die Mini-Bildschirme sind zwar noch etwas teurer als die herkömmliche LCD-Konkurrenz, doch sie sind ihr überlegen. Sie liefern gestochen scharfe, kontrastreiche Bilder und sind auch von der Seite gut ablesbar. Außerdem verbrauchen sie wenig Energie, weil sie nicht, wie LCD-Geräte, hinterleuchtet werden müssen, sondern aus eigener Kraft strahlen.
Natürlich sind solche Displays auch für TV-Bildschirme geeignet. Dort verzögert zwar der relativ hohe Preis den Start in den Massenmarkt, doch der Countdown läuft. LG will noch in diesem Jahr einen 55-Zoll-OLED-Fernseher auf den Markt bringen. Blochwitz-Nimoth ist überzeugt, dass die Preise erheblich sinken werden, wenn erst die Produktion im großen Stil startet: „Bei den asiatischen Herstellern laufen die Investitionsprogramme.” Bald werde ein OLED-Fernseher in der Herstellung billiger sein als einer mit LED.
Die Zukunft hängt im Flur
Bei der Beleuchtung haben die Kohlenwasserstoffe den Markt noch nicht erobert. Im Handel gibt es zwar ein paar edle Designer-Leuchten mit Karbonfuß für rund 5000 Euro. Doch um im Massenmarkt konkurrieren zu können, ist weitere Forschung nötig. In der im Juli 2012 gegründeten Dresdner Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente, die Leo neben seiner Lehrtätigkeit an der Universität leitet, bekommt man eine vage Vorstellung davon, wie die Zukunft aussehen könnte. Im Flur hängen neun ultraflache Leuchten kreisförmig an der Decke – jede etwa so groß wie ein DIN-A3-Blatt – und illuminieren einen Konferenztisch. Das Licht der OLED-Lampe blendet nicht, ist aber hell genug, um darunter arbeiten zu können. Allerdings: Die weltweit größte OLED-Lampe würde so viel kosten wie ein Kleinwagen.
Doch die Organik-Leuchten sind im Kommen, vor allem weil sie relativ wenig Energie verbrauchen. So können die derzeit verfügbaren organischen Leuchtdioden einen Lichtstrom von maximal rund 25 Lumen pro zugeführtem Watt elektrischer Leistung erzeugen – doppelt so viel wie eine Glühbirne. Kristalline Leuchtdioden sind zwar noch deutlich effizienter, doch der Abstand zwischen OLED und LED dürfte rasch schrumpfen.
Außerdem können Organik-Leuchten Licht in fast jeder Farbe liefern und sind frei von Schadstoffen wie Quecksilber. Und sie ermöglichen völlig neue Beleuchtungskonzepte, da OLED-Leuchten ihr Licht flächenhaft abgeben. Man könnte sie wie Tapete an die Wand oder die Decke kleben, sodass sie tagsüber nicht zu sehen wären.
Die Ziele sind abgesteckt: Die Herstellungskosten sollen unter 100 Euro pro Quadratmeter sinken, die Module eine Größe von 100 mal 100 Zentimeter erreichen, die Lichtausbeute soll 100 Lumen pro Watt betragen, und eine Leuchte soll mindestens 100 000 Stunden halten. Die Kosten ließen sich nur durch Massenproduktion drücken. Doch „bisher traut sich niemand, richtig Geld in die Hand zu nehmen”, sagt der Dresdner Fraunhofer-Forscher Christian Rahnfeld. Auch die Lichtausbeute entspricht noch nicht der Zielvorgabe. Bei fingernagelkleinen Demonstratoren wurden zwar 100 Lumen pro Watt gemessen, bei größeren Leuchten aber höchstens 89. Und was die Haltbarkeit angeht, macht die blaue Farbe noch Probleme. Sie wird von einer besonders empfindlichen organischen Substanz erzeugt.
Noch viel Luft nach oben
Die Beleuchtungsindustrie kann innovative Technologie teuer verkaufen, wenn sie ein edles Design wählt. Das ist bei der Photovoltaik anders. Hier spielt die Ästhetik keine Rolle, sondern allein der Preis entscheidet. Derzeit liegen die Herstellungskosten noch weit über denen von Siliziumzellen. Doch die Heliatek GmbH – auch eine Ausgründung des Dresdner Instituts – ist auf einem guten Weg. „Bis 2017 werden wir mit Silizium gleichziehen”, verspricht Firmengründer und Cheftechnologe Martin Pfeiffer. Das Unternehmen mit derzeit 75 Mitarbeitern ist sehr erfolgreich. 2006 gegründet, hat es im April mit seinen organischen Zellen einen Wirkungsgrad von 10,7 Prozent erzielt – das ist Weltrekord. „Und es gibt noch deutlich Luft nach oben”, sagt Pfeiffer. Als Nahziel nennt der Heliatek-Chef 13 Prozent.
Dann wäre der Kohlenwasserstoff in Schlagdistanz zum Silizium. Denn 13 Prozent hier entsprechen 15 Prozent dort. Die Diskrepanz ist eine Folge der unterschiedlichen Eigenschaften: Die organischen Zellen liefern selbst bei schwachem Licht relativ viel Strom, und sie machen auch bei Wärme eine gute Figur. Ihre größte Effizienz erreichen sie sogar erst bei 40 bis 60 Grad Celsius, der üblichen sommerlichen Arbeitstemperatur. Siliziumzellen lassen dagegen bei zunehmender Erwärmung in der Leistung nach. Übers Jahr gerechnet sammelt deshalb die organische Zelle mehr Strom ein.
Ultra-Schutz per Folie
Das größte Problem, das einer Massenproduktion im Wege steht, ist die Haltbarkeit. Das schier unverwüstliche Silizium macht auch nach 25 Jahren noch längst nicht schlapp. Die hauchdünnen organischen Schichten reagieren dagegen mit dem Sauerstoff und der Feuchtigkeit der Luft und würden ohne Schutzhülle schon nach Minuten bis Stunden versagen. Mit einem Glasmantel wäre das Problem gelöst. Doch dann würden die Newcomer ihre Leichtigkeit verlieren – und damit ihren größten Trumpf.
Heliatek hat eine Lösung gefunden: Sie kapselt die empfindlichen Schichten mit einer „Ultrabarrierefolie” ab. Das ist im Prinzip nichts anderes als eine Lebensmittelfolie, die eine Siliziumnitrat-Schicht enthält. Firmenintern haben die Zellen den Standardtest – 1000 Stunden bei 85 Grad Celsius und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit – bereits bestanden. Pfeiffer: „Das reicht, um 20 Jahre Betriebsdauer auf dem Dach zu garantieren.” Bleibt noch der hohe Preis, den es zu drücken gilt. Das geht nur, indem man in Maschinen für den Massenmarkt investiert.
Im März hat Heliatek für 14 Millionen Euro eine erste kleine Produktionsanlage aufgestellt. Die Fertigungslinie hat eine Jahreskapazität von 8 Megawatt und verarbeitet 30 Zentimeter breite Rollen. Der nächste Schritt ist angepeilt: eine Anlage für 60 Millionen Euro, die meterbreite PET-Folien verarbeitet und ein jährliches Volumen vor 75 Megawatt erreicht.
Wie sich die organischen Photozellen auf dem Markt schlagen werden, lässt sich schwer vorhersagen. Derzeit haben es sogar die Sillizium-Module schwer, weil sie ohne Subventionen nicht gegen andere Stromquellen konkurrieren können. Doch die Vorteile der Organik gegenüber dem Silizium sind geradezu erdrückend. So haben die Zellen die Energie, die für ihre Herstellung nötig ist, schon nach einem knappen halben Jahr wieder eingespielt. Giftige oder schädliche Substanzen sind für die Herstellung nicht nötig. Vor allem aber sind die bedampften Folien extrem leicht. Und wegen ihrer Transparenz kann man sie in Fensterscheiben integrieren.
Trotz aller Vorzüge wird die organische Elektronik das Silizium in dessen Kernbereich nicht verdrängen können: bei intelligenten Schaltungen. Wenn es um rechenintensive Aufgaben geht, ist der spröde Halbleiter unersetzbar. Denn er leitet Elektronen etwa 1000 Mal schneller als organische Substanzen. Man kann inzwischen zwar auch Schaltungen aus Millionen organischer Transistoren bauen, doch sinnvoll sind sie nur dort, wo es nicht auf hohes Rechentempo ankommt. Experten denken vor allem an intelligente Etiketten, die wie Zeitungspapier gedruckt werden. Aber auch hier ist der Preis eine hohe Hürde: RFID-Tags aus Silizium gibt es schon für 5 Cent.
Trotz dieses Hindernisses gilt: Wenn Experten wie Karl Leo Recht behalten, wird die organische Elektronik in 10 bis 20 Jahren aus einer modernen Wohnung nicht mehr wegzudenken sein: Der Fernseher klebt dann wie eine Tapete an der Wand, die Decke erstrahlt in natürlichem Himmelblau, und das Fenster mit integrierten Solarzellen liefert Energie. Unterwegs rollt man seinen Bildschirm aus, den Strom dafür liefern Photozellen auf der Kleidung.
Dresden könnte hier ganz vorne mitspielen. Denn dort haben sich Forscher schon zu DDR-Zeiten mit organischen Halbleitern befasst. Sie entwickelten Ende der 1980er-Jahre einen organischen Farbfilter für eine Videokamera, der aber wegen der Wende nie auf den Markt kam. ■
von Klaus Jacob
Licht aus der Schicht
In einer organischen Leuchtdiode (OLED) sind mehrere dünne Schichten aus organischen Materialien zwischen Glasplatten oder Plastikscheiben eingeschlossen. Legt man eine elektrische Spannung an, injiziert eine Kathode Elektronen, und eine Anode führt „Löcher” (fehlende Elektronen) zu (1). Die Ladungsträger bewegen sich zunächst in einer Elektronen- beziehungsweise Lochleitungsschicht, von wo aus sie in die Emitterschicht dazwischen wandern, die Farbstoff-Moleküle enthält. Dort vereinen sich Elektronen und Löcher, was den Farbstoff zum Leuchten bringt (2).
Mit Plastik auf Sonnenfang
Organische Elektronik ist nicht nur in Dresden ein großes Thema. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forschen Alexander Colsmann und seine Arbeitsgruppe seit neun Jahren an organischer Photovoltaik. Sie wollen die Effizienz der Solarzellen aus Kunststoff steigern und eine bessere Langzeitstabilität der Materialien erreichen. „Der Vorteil dieser Solarzellen ist, dass sie auf nahezu allen Oberflächen verwendet werden können – auch auf gekrümmten. Das geht mit der herkömmlichen Siliziumtechnologie nicht”, erklärt Colsmann. Während die Dresdner Forscher die Solarzellen mithilfe von Vakuumprozessen auf die jeweiligen Oberflächen aufbringen, werden sie am KIT mit einfachen Druck- und Beschichtungsverfahren aufgetragen. Die Herstellung ähnelt dem Siebdruck oder Sprühbeschichtungen: Die Schichten werden nacheinander auf Kunststoff-Träger abgeschieden, sodass die Solarfolien mechanisch flexibel bleiben. Colsmann geht davon aus, dass organische Solarzellen in etwa zehn Jahren auf Hausdächern und -fassaden zu sehen sein werden. Den Einstieg in diese Technologie erwartet er jedoch in Gestalt von Bildschirmen oder Leuchtmitteln.
Kompakt
· Elektronische Bauteile aus Kunststoff-Materialien sind die Basis für aufrollbare Bildschirme und ultraflache transparente Solarzellen.
· Leuchten aus organischer Elektronik ermöglichen die Herstellung von Tapeten, die Licht unterschiedlicher Farbe großflächig abgeben.
· Einziges Hindernis auf dem Weg zum Massenprodukt ist der noch zu hohe Preis.
Karl Leo
„Das Faszinierende an der organischen Elektronik ist für mich, wie viel schon funktioniert, obwohl wir noch so wenig verstehen”, sagt Karl Leo. „Die Materialien sind einfach erstaunlich gut.” Der Physiker konstatiert: „In der organischen Photovoltaik sind wir jetzt erst so weit wie in der Siliziumtechnologie in den 1970er-Jahren.”
Karl Leo (*1960) hatte schon in der Schule ein Faible für Naturwissenschaften. Nach dem Abitur stand für ihn fest, dass er in seiner Heimatstadt Freiburg Physik studieren würde. Später zog Leo weiter: Promotion in Stuttgart, Habilitation in Aachen und ein Aufenthalt in den USA. Dort arbeitete er mit einem Stipendium in einem Forschungs- und Entwicklungslabor in New Jersey. Seit fast 20 Jahren ist Leo nun in Dresden. Dort ist er Professor an der Technischen Universität. Nebenbei leitet er die aus dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme hervorgegangene Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente – und sitzt im Beirat der Heliatek GmbH.
Mehr zum Thema
Internet
Institut für Angewandte Photophysik der Technischen Universität Dresden: ppprs1.phy.tu-dresden.de/iapp
Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente (COMEDD) in Dresden: www.comedd.fraunhofer.de
Informationen zur organischen Elektronik vom Bundesforschungsministerium: www.bmbf.de/de/16267.php
Informationen vom Deutschen Zukunftspreis zum Siegerprojekt 2011: www.deutscher-zukunftspreis.de/ preistraeger/preistr%C3%A4ger-2011
