OLED.Education – Organische Leuchtdioden in der Curricularen Innovation

Einleitung

Die aktuelle Wochenschau berichtete im Mai bereits über Weiße LEDs und über Organische Photovoltaik. Die Verknüpfung beider Bereiche führt uns gewissermaßen zum heutigen Thema.
Organische Licht Emittierende Dioden (OLEDs) sind innovative und hocheffiziente Leuchtmittel, die zunehmend in den Displays moderner Elektronik-Devices wie Smartphones, Curved-TV’s und Tabletcomputer verbaut werden. Auch im Beleuchtungssektor rückt die neue Technologie zunehmend auf den Markt. Der wesentliche Unterschied der OLEDs zu herkömmlichen LEDs liegt in den verwendeten Halbleitermaterialien. Anstelle klassischer Hableiter wie Silizium, Germanium oder Cadmiumtellurid kommen konjugierte Polymere (bzw. Oligomere) und kleine Metallkomplexe mit organischen Liganden für die Elektrolumineszenz zum Einsatz (Abb. 1). Ein großer Vorteil der organischen Halbleiter liegt in der vergleichsweise einfachen Zugänglichkeit mittels organischen Syntheserouten und der großen Vielfalt ihrer Prozessierungsmöglichkeiten, die von nasschemischen über Bedampfungs- bis hin zu Druckverfahren reichen. OLEDs lassen sich sogar von der Rolle produzieren [1]. Im nachfolgenden Artikel werden die Organischen Leuchtdioden aus der fachwissenschaftlichen Perspektive her eingeführt und im Rahmen eines fachdidaktischen Forschungsprojektes zur curricularen Anbindung behandelt.

Abb. 1: Grundstrukturen einiger organischer Halbleiter

Wissenschaftlicher Hintergrund

Eine Organische Leuchtdiode ist im einfachsten Fall aus zwei Elektroden und einer dazwischen befindlichen Halbleiterschicht aufgebaut (Abb. 2). Die Anode besteht in der Regel aus einem Trägersubstrat, das mit einem transparenten, leitfähigen Oxid (z.B: Indium Tin Oxide) beschichtet ist. Auf diesem wird eine homogene Schicht von nur wenigen 100 nm des organischen Halbleiters abgeschieden. Dies kann aus Lösungen z.B. via Spincoating (Rotationsbeschichtung) oder alternativ durch Vakuumprozessierung erfolgen. Die Topelektrode bildet die Kathode und kennzeichnet sich durch eine niedrige Austrittsarbeit aus. Sie besteht für gewöhnlich aus unedlen Metallen wie Aluminium, Calcium oder Magnesium, die aus der Gasphase auf die organische Schicht abgeschieden werden. Für die Steigerung der Effizienz und Lebensdauer der OLED werden bis zu 40 weitere Schichten zwischen den Elektroden aufgebracht. Diese können sowohl organische als auch anorganische Komponenten enthalten.

Abb. 2: Schematischer Aufbau einer einfachen Organischen Leuchtdiode [2].

Das Funktionsprinzip einer organischen LED beruht auf der Elektrolumineszenz, die sich anhand drei elementarer Schritte beschreiben lässt. Nachfolgend werden diese Elementarschritte anhand eines didaktisch angepassten Lernmodells (Abb. 3), das auf ein einfaches Energiestufenmodell zurückgreift, erläutert.


1.    Ladungsträgerinjektion

Beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung (i.d.R. reichen wenige Volt aus) werden von der Kathode Elektronen in das niedrigste unbesetzte Energieniveau (NUE) der angrenzenden Halbleitermoleküle übertragen (1a). Parallel werden an der Anode Elektronen aus dem höchsten besetzen Energieniveau (HBE) der angrenzenden Moleküle entfernt (1b). Dabei verbleibt eine positiv geladene Elektronenfehlstelle im Molekül, die als Loch bezeichnet wird. Die Vorgänge an den Elektroden werden als Elektronen- bzw. Lochinjektion bezeichnet. Hierbei ist es wichtig, dass die Energieniveaus der Elektroden und des Halbleiters aufeinander abgestimmt sind, um die Injektionsbarrieren für die Ladungsträger zu minimieren [3].


2.    Landungsträgertransport

Organische Halbleitermoleküle weisen aufgrund ihres ausgeprägten ϖ-Elektronensystems eine verhältnismäßig hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Elektronen und Löcher wandern daher im elektrischen Feld durch die organische Schicht zur jeweiligen Gegenelektrode. Die Übertragung der Ladungsträger zwischen den Molekülen wird dabei auch als Hüpfprozess (Hopping) bezeichnet (2a und 2b). Die Wanderung der Löcher erfolgt hierbei indirekt durch die Elektronenbewegung auf dem höchsten besetzten Energieniveau (rote und schwarze Pfeile in Abb. 3). Für einen effizienten Ladungstransport ist es von immanenter Bedeutung, dass die Halbleiterschicht möglichst frei von Verunreinigungen und Defekten ist [3].


3.    Rekombination und Emission

Beim Zusammentreffen von Elektronen (im NUE) und Löcher (im HBE) kommt es zur Rekombination unter Ausbildung von angeregten Zuständen. Aufgrund strahlender Übergänge der Elektronen aus dem NUE in das HBE kommt es zur Lichtemission (3), wobei die Wellenlänge und somit die Farbe des Lichtes von der Differenz der Energieniveaus abhängt. Das Licht wird über die transparente Anode ausgekoppelt und steht für die Anwendung zur Verfügung.

Abb. 3: Darstellung der Elektrolumineszenz in der OLED anhand eines didaktisch angepassten Energie-Modells. [2] 1a/b:Ladungsträgerinjektion; 2a/b: Ladungstransport (Hopping); 3: Rekombination und Lichtemission

Diverse Verlustmechanismen sind dafür verantwortlich, dass i.d.R. nur ein Teil der eingespeisten elektrischen Energie letztlich als nutzbares Licht zur Verfügung steht. Beispiele hierfür sind a) unausgeglichene Ladungsträgerbalancen, die zu Kurzschlussentladungen an den Elektroden führen können, b) strahlungslose Elektronenübergänge oder c) niedrige Lichtauskoppelraten aufgrund von Totalreflexionen. Zudem bedarf es einer effizienten Verkapselung des Bauteils, da die organischen Halbleitermaterialien Degradationsprozessen ausgesetzt sind, die vor allem durch Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff verursacht werden.
Trotz der genannten Herausforderungen konnten die OLEDs vor allem im Display-Sektor bedeutsame Marktanteile für sich gewinnen. Experten prognostizieren hier durchschnittliche Wachstumsraten von 35% pro Jahr und einen Marktvolumen von über 35 Mrd. EUR im Jahr 2019 [4].

Curriculare Innovation

Organische Halbleiter stellen einen aktuellen und innovativen Bereich der chemischen Forschung dar und haben im Kontext der OLEDs ein hohes Motivationspotenzial für die Lehre der Chemie. Insbesondere die konjugierten Polymermoleküle lassen sich hervorragend an die Themenfelder Kunststoffe und Farbstoffe des Oberstufenlehrplans anbinden. An der Bergischen Universität Wuppertal (Prof. Tausch) und der Universität zu Köln (Prof. Banerji) wurden zu diesem Themengebiet bereits geeignete Experimente und Lehr-Lernmaterialien für die curriculare Innovation an Schule und Hochschule entwickelt und evaluiert [5-6]. Diese Entwicklungen sollen dazu beitragen, Chemie- und Physik-Lehrer/innen und Dozent/innen in ihrer Berufsausübung zu unterstützen, und das Gebiet der Organischen Elektronik in die breitere Öffentlichkeit zu tragen.

Eigenbau-OLED

Das Herzstück der didaktischen Entwicklungen stellt ein Experiment zum Eigenbau einer einfachen organischen Leuchtdiode dar (Abb. 4), welches nachfolgend in einer kurzen Zusammenfassung beschrieben wird.

Abb. 4: Bilderfolge zur Eigenbau-OLED. 1) vorbereitetes ITO-Glas, 2) PC-Lüfter als low-cost Spincoater, 3) beschichtetes ITO-Glas, 4) Kathode und Applikationsfassung, 5) fertige OLED im Betrieb bei 9V

Ein ITO-Glasträger wird mit Aceton gereinigt und mit Klebefilm abgeklebt (1). Das Glas wird mithilfe von doppelseitigem Klebeband auf einen PC-Lüfter fixiert, welcher an eine 4,5V Flachbatterie angeschlossen wird (2). Auf das rotierende Glas wird mit einer Spritze ca. 0,1 mL einer Superyellow-Lösung (ein PPV-Derivat, vgl. Abb. 1) aufgetragen. Man erhält eine homogene, tiefgelbe Schicht des Halbleiters (3). Auf eine Applikationsfassung, die aus einem Objektträger, zwei schmalen Gummistreifen und selbstklebenden Kupferstreifen gefertigt wurde, werden drei Tropfen Galinstan (Eutektikum aus Gallium, Indium und Zinn) mit den Kupferstreifen in Kontakt gebracht (4). Das beschichtete ITO-Glas wird mit der Halbleiterschicht auf die Applikationsfassung gelegt und das Bauteil wird mit Klammern fixiert. Eine 9V Batterie wird mit dem Pluspol an das ITO-Glas und dem Minuspol an die Kupferzuleitungen geklemmt. Es erscheint eine helle, gelbgrüne Lumineszenz (4), die je nach Güte der OLED zwischen Minuten bis zu Stunden anhält.
Hinweis des Autors: Am 16.06. wird die Eigenbau-OLED im Rahmen der Veranstaltung „Millionen Lichter“ auf der ACHEMA in Frankfurt in einem Live-Experiment vorgeführt. Alle Interessierten sind hierzu herzlich eingeladen.

OLED.Education

Zwischen 2011 bis 2014 wurde das OLED-Experiment an ca. 60 Schulen, Schülerlaboren und Universitäten in Deutschland, Österreich und der Schweiz getestet. Die Rückmeldungen halfen dabei, das Experiment und die Versuchsvorschriften weiter zu optimieren. Seit Ende 2014 erfolgt die Erprobung einer neuen Generation der Eigenbau-OLED, die verbesserte Leistungen und höhere Erfolgsquoten verspricht. An den Tests nehmen aktuell 20 Lehrer/innen teil, welche das Experiment für unterschiedliche Zwecke (Regelunterricht, Abschlussarbeiten, AG’s, Jugend-Forscht, etc.) einsetzen. Um einen Austausch zwischen den Lehrenden und vor allem zwischen den Lernenden anzuregen, wurde vor kurzem die Facebook-Gemeinschaft OLED.Education gegründet. Dort können Partnerlehrer/innen und Schüler/innen eigene Ergebnisse, Bilder, Videos und Kommentare posten und sich so wissenschaftlich austauschen. Aktuell ist u.a. ein Video der drei Schüler Lukas Schmitt, Christof Schuster und Leon Trampert vom Gymnasium Konz (Klasse 10a) zu sehen, das im Rahmen einer Jugend-Forscht Arbeit unter der Betreuung von Chemielehrer Jürgen Kopp entstanden ist. Den Jugendlichen ist es gelungen, die Eigenbau-OLED an einen Mikrocontroller anzuschließen und eine Sound-to-Light-Steuerung zu realisieren.

Video: OLED.Education - Sound-to-Light-Steuerung
L. Schmitt, C. Schuster, L. Trampert [Gymnasium Konz]; Musik: Tobu - Colors [NCS Release]

Zusammenfassung und Ausblick

Organische Halbleiter sind ein Paradebeispiel für Innovation in der chemischen Forschung. Ihre Anwendung in zukunftsweisenden Technologien wie LEDs und Solarzellen sind von gesellschaftlicher Bedeutung und haben einen direkten Alltagsbezug. Für die curriculare Anbindung der konjugierten Polymere und der ihren Anwendungen zugrunde liegenden Funktionsprinzipien konnten didaktisch prägnante Experimente und fachlich konsistente Konzepte und Lernmaterialien entwickelt werden. In den Schülerlaboren der Bergischen Universität Wuppertal (Chemie-Labothek) und der Universität zu Köln (Schülerexperimentiertage) wurden halbtägige Workshops zu konjugierten Polymeren implementiert, die regelmäßig von Schulklassen besucht werden.
Basierend auf der Architektur der Eigenbau-OLED wurde an der Bergischen Universität Wuppertal eine Eigenbau-OPV (organische Photovoltaikzelle) entwickelt [7]. Die Zelle verwendet ein 2-Komponentengemisch aus Poly-3-Hexylthiophen und einem Fullerenderivat und kann bei ausreichender Lichteinstrahlung einen kleinen Motor betreiben. Unter dem Titel Organic Photoelectronics wird in einem Kooperationsprojekt ein didaktisches Kofferset entwickelt, das alle Elemente für den Bau von OLEDs und OPVs zusammenfasst. Gestützt durch eine Förderung der GDCh und der Firma Merck konnten 10 Prototypen der Koffer entwickelt werden, die im Internationalen Jahr des Lichts mit ausgewählten Lehrerinnen und Lehrern erprobt werden. Hierüber wird in Zukunft berichtet.

Literatur

[1] http://www.comedd.fraunhofer.de/de/applications/flexible-oleds.html (01.06.15)

[2] M. Zepp, J. Dörschelln, A. Banerji, M.W. Tausch, Begleitheft zum didaktischen Kofferset Organic Photo-electronics, in Druck

[3] M. Deußen, H. Bässler, Organische Leuchtdioden, Chemie in unserer Zeit, 31(2), 1997

[4] www.wts.de/de/docs/20140127_WTS_OLED_Studie_Final.pdf (01.06.15)

[5] A. Banerji, M.W. Tausch, U. Scherf, Fantastic Plastic - von der Cola-Flasche zur organischen Leuchtdio-de, CHEMKON, 19(1), 2012

[6] A. Banerji, M.W. Tausch, U. Scherf, Classroom Experiments and Teaching Materials on OLEDs with Semi-conducting Polymers, Educacion Quimica, Vol. XXIII, No. 4, 2012

[7] M. Zepp, M.W. Tausch, Organische Photovoltaik, Praxis der Naturwissenschaften-ChiS 1/64, 2015