Team 2

Organische Elektronik – mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Stellen Sie sich eine ganz neue Art von Elektronik vor: Flexibel, leicht, unzerbrechlich, umweltschonend, mit einfachen Prozessen als hauchdünne Schicht auf fast beliebige Untergründe aufgebracht. Wenn man diese Elektronik mit der bekannten aus anorganischen Halbleitern wie Silizium vergleicht, die in Energie aufwendigen Prozessen bei Temperaturen über 1000 °C hergestellt werden, und die dann zu kleinen Kristallen geformt werden, so erkennt man die Möglichkeiten, die die neue organische Elektronik bietet. Als Anwendung denkbar sind neuartige Lichtquellen, die flächig ein besonders weiches und qualitativ hochwertiges Licht aussenden, neuartige Solarzellen, die aufgerollt werden können und außerordentlich preisgünstig die zu ihrer Herstellung verwendete Energie schon nach kurzer Zeit wieder eingespielt haben. Dazu kommen noch ganz neue Möglichkeiten, wie in Kleidung, Etiketten oder Pflaster integrierte elektronische Schaltungen, die in vielen Anwendungen Lebensqualität und Sicherheit verbessern können.

Diese neuartigen Anwendungen werden durch die organische Elektronik möglich. „Organisch“ heißt hier ganz einfach, dass Verbindungen aus Kohlenstoff verwendet werden, wie sie auch in der Natur vorherrschen. Solche Materialien kennt die Menschheit schon lange, insbesondere als Farbstoffe. Seit einiger Zeit ist jedoch Forschern bekannt, dass viele dieser Materialien auch halbleitende Eigenschaften haben und damit im Prinzip elektronische Funktionen übernehmen können. Da die organischen Materialien jedoch bei Raumtemperatur auch auf flexible Substrate aufgebracht werden können, bieten sie ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten.

Von den Grundlagen zur wirtschaftlichen Anwendung
Entscheidend ist aber, dass die neuen Bauelemente bzgl. Effizienz und Lebensdauer attraktive Werte erreichen: Beispielsweise sind neuartige Lichtquellen mit hoher Lichtqualität von großem Nutzen, praktisch verwendbar sind sie jedoch nur, wenn sie die bisherigen ineffizienten Lichtquellen wie die Glühbirne deutlich übertreffen. Hier hat die Arbeit des Dresdner Teams angesetzt, das einen für organische Halbleiter neuartigen Weg beschritt: Organische Halbleiter sind in der Regel zunächst nur sehr schwach elektrisch leitend, da die Materialien keine beweglichen Elektronen enthalten. Diese Eigenschaft hat die Verwendung in Bauelementen wie Leuchtdioden und Solarzellen deutlich behindert. Das Dresdner Team ging zunächst in der Grundlagenforschung an der Technischen Universität Dresden dieses Problem an und ließ sich dabei von den Erkenntnissen der klassischen Siliziumhalbleiterphysik leiten, wo in den 40er Jahren des vergangen Jahrhunderts die Technik der Dotierung entwickelt und perfektioniert wurde: Durch minimale Beimischung anderer Substanzen, die frei bewegliche Elektronen erzeugen, kann man die Leitfähigkeit von Halbleitern um viele Größenordnungen steigern. Diesen Ansatz verfolgten die Dresdner Forscher bei ihren Arbeiten auch für die organischen Halbleiter. In der Organik müssen aber völlig andere Dotiermaterialien verwendet werden, so dass zunächst in der Doktorarbeit von Dr. Martin Pfeiffer die Suche nach geeigneten Dotiermaterialien im Vordergrund stand. Schon die ersten Versuche zeigten, dass das Prinzip der Dotierung auch auf organische Halbleiter übertragbar ist. Doch die Arbeiten stießen auch auf große Skepsis: In der Fachwelt wurde die Idee der Dresdner zunächst eher belächelt: Ein Fachgutachter einer renommierten Fördereinrichtung äußerte sogar einmal, dass die Bauelemente durch Dotierungen nur schlechter werden könnten… Das war ein großer Ansporn für das Dresdner Team, das schon bald zeigen konnte, dass Dotierung die Bauelemente deutlich verbessern kann: So gelang es, die Betriebsspannung von Leuchtdioden um mehr als einen Faktor zwei zu senken und damit die Effizienz der Bauelemente deutlich zu erhöhen.

Als dann Dr. Jan Blochwitz-Nimoth in seiner Doktorarbeit zeigen konnte, dass damit hocheffiziente Leuchtdioden hergestellt werden können, die klassische Beleuchtungselemente wie die Glühbirne oder auch die Leuchtstoffröhre übertreffen, war der Durchbruch der Technologie in Sicht. Die wirtschaftliche Umsetzung gingen die beiden jungen Forscher gemeinsam mit Prof. Leo zügig mit einer Ausgründung aus der TU Dresden und dem Fraunhofer-IPMS an: Dies war die Geburtsstunde der Novaled AG, die heute diese Technik in die millionenfache Produktanwendung gebracht hat: die neuartigen OLED Displays sind in Kontrast und Farbsättigung anderen Ansätzen überlegen, und durch die Dotierung wird die Effizienz gesteigert und eine einfachere Fertigung möglich.

Es zeigte sich jedoch bald, dass die grundlegende Erfindung der Dotierung auch in vielen anderen Dingen einsetzbar ist: So profitieren Solarzellen, die einfallendes Licht in elektrische Energie umwandeln genauso von der Dotierung und erlauben, die Solarzellen effizienter zu gestalten. Weiterhin werden mit der Dotierung Solarzellen möglich, die das Sonnenspektrum viel besser ausnutzen, indem mehrere Solarzellen übereinander aufgetragen werden. Mit solchen Solarzellen, die auch stark verbesserte Absorbermaterialien enthielten, konnte das Dresdner Team dann Rekordwirkungsgrade zeigen und insbesondere auch aufzeigen, dass diese Materialien sich durch sehr hohe Stabilität auszeichnen. Damit war die Grundlage für die zweite Ausgründung, die Heliatek GmbH geschaffen.

Das Dresdner Team arbeitet nun auch intensiv daran, die Dotierung in weitere Anwendungen einzubringen: So konnte gezeigt werden, dass auch für Transistoren und andere Bauelemente, die schaltende Funktionen haben, die Dotierung deren Eigenschaften deutlich verbessert. Damit wird in Zukunft auch eine neuartige flexible Elektronik möglich, die z. B. aufrollbare Bildschirme oder Schaltungen auf Etiketten möglich macht. Hierzu wurden auch neue Beschichtungstechniken entwickelt, die es erlauben, die Bauelemente „von der Rolle“ zu produzieren.

Die Vision einer „Elektronik für den Menschen“, die überall zum Einsatz kommt, kann damit wahr werden. In Zukunft wird es möglich sein, dass ein Fenster tagsüber transparent ist und als Solarzelle Energie liefert, nachts wird es dann zur Beleuchtung verwendet und lässt den Raum in einem angenehmen weichen Licht erscheinen, als ob draußen die Sonne scheint. Die Dresdner Forscher haben damit die Elektronik für die Menschen voran gebracht und neuartige Bauelemente ermöglicht, die so bisher nicht denkbar waren.

Partnerschaft zwischen Forschungseinrichtungen und Industrie
Die Entwicklung hocheffizienter organischer Bauelemente ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen und der Industrie: Zunächst wurden Arbeiten an der TU Dresden als reine Grundlagenforschung begonnen, später kam die anwendungsnähere Forschung am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme hinzu. Industriell umgesetzt wurde die Forschung dann durch Ausgründungen, wobei die Mitarbeiter ihre Entwicklungen von der Universität zu den Firmen brachten. Aus den inzwischen sechs Ausgründungen, die sich aus den Arbeiten an TUD und IPMS inzwischen ergeben haben, sind an erster Stelle die Novaled AG mit über 100 Mitarbeitern und die Heliatek GmbH mit über 60 Mitarbeitern zu nennen. Mit diesen beiden Firmen konnte auch die ideale Form des Know-how Transfers aus der Forschung in die industrielle Umsetzung realisiert werden: Dr. Blochwitz-Nimoth und Dr. Pfeiffer sind in leitenden Funktionen dieser Firmen tätig, und ein wesentlicher Teil der Mitarbeiter beider Firmen sind unmittelbar nach Ihren Abschlüssen zu den Firmen gewechselt und setzen dort ihr erworbenes Know-How um.

Profil TU Dresden/Institut für Angewandte Photophysik
Die Technische Universität Dresden ist mit 36.000 Studierenden die größte technische Universität Deutschlands. Am Institut für Angewandte Photopysik (IAPP) werden Arbeiten zur organischen Materialien bereits seit 1985 durchgeführt. In den letzten Jahren hat sich das Institut eine international führende Stellung erarbeitet. Es bildet den Kern des Clusters „Organic Electronics Saxony (OES)“, der mit mehr als 850 Mitarbeitern auf diesem Gebiet der führende Cluster in Europa ist.

Profil Fraunhofer-IPMS
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden beschäftigt sich mit über 200 Mitarbeitern mit der Forschung und Entwicklung zu neuartigen optoelektronischen Bauelementen auf der Basis von Silizium und organischen Halbleitern. Das Institut kooperiert in nationalen und europäischen Projekten mit einer Vielzahl von Industrieunternehmen und Instituten. Die Arbeiten zu organischen Halbleitern sind im Institutsteil COMEDD (Center for Organic Materials and Electronics Devices Dresden) gebündelt. Im Mittelpunkt stehen hier Arbeiten zur Skalierung organischer Bauelemente auf große Substrate und die Entwicklung von Systemen auf der Basis organischer Bauelemente.

Profil Novaled AG
Novaled AG ist weltweit führend im Bereich von OLED-Technologien und spezialisiert auf hocheffiziente OLED-Strukturen mit langer Lebensdauer. Das Unternehmen verfügt über ein Höchstmaß an Kompetenz auf dem Gebiet der synthetischen und analytischen Chemie. Neben seiner Novaled PIN OLED® Technologie und seinen OLED-Materialien bietet das Unternehmen auch OLED Lighting Produkte und weitere Dienstleistungen hierzu an. Novaled ist langfristiger Partner führender internationaler OLED Anbieter der Display- und Beleuchtungsindustrie. Mit mehr als 400 bewilligten und angemeldeten Patenten verfügt Novaled über eine starke IP Position. Novaled wurde 2008 als Nr. 1 der am schnellsten wachsenden deutschen Mittelständler durch die Wirtschaftspublikationen Handelsblatt und Wirtschaftswoche ermittelt. Hauptinvestoren sind eCAPITAL, Crédit Agricole Private Equity, TechnoStart, TechFund und CDC Innovation.

Profil Heliatek GmbH
Die 2006 als Spin-off der Universitäten Dresden und Ulm gegründete Heliatek GmbH entwickelt organische Solarzellen mit der proprietären Tandemtechnologie aus so genannten „kleinen Molekülen“, organischen Farbstoffen, die chemisch aus Kohlenwasserstoffen synthetisiert werden. Im Oktober 2010 zertifizierte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) eine solche Solarzelle von Heliatek mit einem Rekord-Wirkungsgrad von 8,3%. Die rapiden Fortschritte bei Effizienz und die hervorragende Laufzeitstabilität beruhen vorwiegend auf neu entwickelten organischen Molekülen aus den Laboren der Heliatek. Heliatek beschäftigt an den Standorten Dresden und Ulm insgesamt 65 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Derzeit baut die Heliatek die weltweit erste Linie zur seriellen Rolle-zu-Rolle-Fertigung organischer Solarzellen durch Vakuum-Abscheidung kleiner organischer Moleküle auf. Der Produktionsstart ist für 2012 geplant.

Nach Finanzierungsrunden in 2007 und 2009 beteiligen sich an der Heliatek mit BASF, Bosch und RWE gleich drei strategische Investoren, die pan-europäische Venture Capital-Firma Wellington Partners und weitere renommierte VC-Gesellschaften. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie der Aufbau der Produktionstechnik werden mit Mitteln des Freistaates Sachsen, des BMBF, des BMWi und der Europäischen Union gefördert. Mehr Informationen unter www.heliatek.com.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Organische Elektronik – mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. und der Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina e.V.- Nationale Akademie der Wissenschaften vorgeschlagen.