Organische Elektronik- eine Zukunft des Forschungsstandortes Deutschland -       Inwieweit kann die „Grüne Elektronik“ die...
Gliederung•   Einführung•   Grundlagen organischer Halbleiter•   Organische Photovoltaik    - Aufbau    - Funktion    - An...
Einführung• Teilgebiet der Elektronik• organisch: Verbindung aus  Kohlenwasserstoffen• leitfähige organische  Verbindungen...
Grundlagen organischer       Halbleiter
Intramolekulare Leitfähigkeit• sp2-Hybridisierung des Kohlenstoffs• π- und σ-Bindungen•   konjugierte Struktur delokalisi...
kleinere MolekülePolymere                    Bild 3: Einteilung nach Art der Moleküle
Aufspaltung derEnergieniveaus im Molekül                                                      ≙ Leitungsband              ...
Intermolekularer          Ladungstransport• in ungestörten kristallinen Verbänden:   Band-ähnlicher Transport (über HOMO ...
Organische    Photovoltaik          http://www.theopenmag.org/wp-          content/uploads/2010/06/133574_startblatt_     ...
AufbauBild 6: Aufbau einer Polymersolarzelle
Funktion
Donator-Akzeptor-Gemisch• zwei verschiedene Halbleiter: Donator - geringe Elektronenaffinität Akzeptor - hohe Elektronen...
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 frei...
Ladungsträgertransport• Löcher über Donator   Anode                                  Licht• Elektronen über Akzeptor     ...
Anwendungen• Stromversorgung elektronischer   Kleingeräte• an Häuserfronten, schattenspendende   Strukturen, Design und Ar...
Vorteile• flexibel, dünn, leicht• geringe Herstellungskosten• hohe Umweltverträglichkeit• zweckoptimiertes Moleküldesign• ...
Nachteile• noch geringe Effizienz  Wirkungsgrad bei maximal 10,6%• geringe Lebensdauer• anfällig für Wasser, Hitze, UV-Li...
Bild 15
AufbauEinschicht-OLED:                   Bild 16: Aufbau einer Einschicht-OLED
Funktion
Elektrolumineszenz1) Ladungsbereitstellung   durch die Elektroden2) Ladungsinjektion3) Ladungstransport4) Bildung eines  E...
Molekulare        Energieniveaus                               ExzitonBild 18: Elektrolumineszenz auf den Energieniveaus
Mehrschicht-OLED Bild 19: Aufbau einer Mehrschicht-OLED
Anwendungen    • OLED-Displays:     in tragbaren Geräten und als TV-      Displays     aufrollbare Bildschirme    • OLED...
Displays             Vorteile                         Nachteile• direkte Emission farbigen             • Lebensdauer  Lich...
Beleuchtung        Vorteile                 Nachteile• gute Farbqualität          • Lebensdauer• effiziente               ...
Weitere         Anwendungsfelder• OFET• „Wegwerfelektronik“
Der Forschungsstandort           DeutschlandBild 23
Förderung
Bundesministerium für Bildung  und Forschung• „OLED Initiative“:  100 Mio. € aus öffentlicher Hand  500 Mio. € von der I...
Weitere Förderung• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)   Grundlagenforschung• landesspezifische Fördermaßnahmen auf  Bu...
Internationaler Vergleich• Wettbewerb zwischen Asien, USA, Europa• Chancen für Deutschland:    OLED Beleuchtungs-Produkte...
Internationaler Vergleich• Asien: bereits marktreife OLED-Displays in mobilen         Geräten (Samsung, LG, Sony)• USA: v....
Weltmarkt• OLED-Displays (2011): Produktion: 90 Mio. Umsatz: 4 Mrd. US $ (DisplaySearch) weiterhin starker Anstieg in d...
Fazit  Organische Elektronik    Anorganische Elektronik• viele Vorteile           • lange Entwicklungszeit• teilweise noch...
Fazit• Deutschland hat eine gute Ausgangsposition• gute Aussichten, wenn Schwächen beseitigt werden      keine Revolution,...
QuellenLiteratur:Pagliaro, Mario, und Palmisano, Giovanni, und Ciriminna, Rosaria: Flexible Solar Cells, Weinheim:Wiley-VC...
Internet:                                                Quellen•   http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte...
Bilder:                                     Quellen• Bilder auf Deckblatt:: Organische Solarzelle: http://solarthemen.de/w...
Quellen•   Bild 16, 17: eigene Bearbeitung nach    http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/oled.vl...
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Organische elektronik

  1. 1. Organische Elektronik- eine Zukunft des Forschungsstandortes Deutschland - Inwieweit kann die „Grüne Elektronik“ die herkömmlichen Techniken revolutionieren? Antonia Herzog, Rosa Scherer
  2. 2. 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
  3. 3. Einführung• Teilgebiet der Elektronik• organisch: Verbindung aus Kohlenwasserstoffen• leitfähige organische Verbindungen• Halbleiter: Leiter und Nichtleiter Bild 1: Organische Elektronik auf dünner PET-Folie
  4. 4. Grundlagen organischer Halbleiter
  5. 5. Intramolekulare Leitfähigkeit• sp2-Hybridisierung des Kohlenstoffs• π- und σ-Bindungen• konjugierte Struktur delokalisiertes π-Elektronensystem Bild 2: Orbitaldarstellung von Ethen
  6. 6. kleinere MolekülePolymere Bild 3: Einteilung nach Art der Moleküle
  7. 7. Aufspaltung derEnergieniveaus im Molekül ≙ Leitungsband ≙Valenzband Bild 4: Aufspaltung der Molekülorbitale im Benzol
  8. 8. 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
  9. 9. Organische Photovoltaik http://www.theopenmag.org/wp- content/uploads/2010/06/133574_startblatt_ Fraunhofer_ISE_Solarstrom_aus_Plastik- 600x493.jpgBild 5
  10. 10. AufbauBild 6: Aufbau einer Polymersolarzelle
  11. 11. Funktion
  12. 12. Donator-Akzeptor-Gemisch• zwei verschiedene Halbleiter: Donator - geringe Elektronenaffinität Akzeptor - hohe Elektronenaffinität Bild 7: Polymer 8: Fulleren
  13. 13. Erzeugung von Ladungsträgern• Absorption von Photonen• Entstehung von Exzitonen Bild 9: Energieniveaus
  14. 14. 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- Bild 10: Donator-Akzeptor- Mischung Mischung
  15. 15. Ladungsträgertransport• Löcher über Donator  Anode Licht• Elektronen über Akzeptor Exziton  Kathode Elektron• Anschluss eines Verbrauchers: Entstehung eines elektrischen Feldes Loch Bild 11: Ladungsträgertransport
  16. 16. Anwendungen• Stromversorgung elektronischer Kleingeräte• an Häuserfronten, schattenspendende Strukturen, Design und Architektur• auf Textilien Bild 12: zukünftiges LadenBild 13 eines Handys
  17. 17. Vorteile• flexibel, dünn, leicht• geringe Herstellungskosten• hohe Umweltverträglichkeit• zweckoptimiertes Moleküldesign• farbig und transparent Bild 14: Organische Solarzellen an einer Fassade
  18. 18. Nachteile• noch geringe Effizienz  Wirkungsgrad bei maximal 10,6%• geringe Lebensdauer• anfällig für Wasser, Hitze, UV-Licht und Sauerstoff• Verkapselung notwendig  Flexibilität wird eingeschränkt
  19. 19. Bild 15
  20. 20. AufbauEinschicht-OLED: Bild 16: Aufbau einer Einschicht-OLED
  21. 21. Funktion
  22. 22. Elektrolumineszenz1) Ladungsbereitstellung durch die Elektroden2) Ladungsinjektion3) Ladungstransport4) Bildung eines Elektron-Lochpaares5) Exziton im S1-Zustand6+7) Zerfall unter Lichtemission Bild 17: Funktionsweise einer Einschicht-OLED
  23. 23. Molekulare Energieniveaus ExzitonBild 18: Elektrolumineszenz auf den Energieniveaus
  24. 24. Mehrschicht-OLED Bild 19: Aufbau einer Mehrschicht-OLED
  25. 25. Anwendungen • OLED-Displays:  in tragbaren Geräten und als TV- Displays  aufrollbare Bildschirme • OLED-Lichtquellen:  Beleuchtung und Beschilderung Bild 20: OLED-FernseherBild 21 von LG (CES 2012)
  26. 26. Displays Vorteile Nachteile• direkte Emission farbigen • Lebensdauer Lichtes • Verkapselung keine Hintergrundbeleuchtung • Partikelbelastung• ausgezeichnete Farbdarstellung  „Dark Spots“• sehr hoher Kontrast • heute noch teuer• geringer Energiebedarf• dünn, hohe Reaktionszeit, Bild 22: flexibles Display flexibel
  27. 27. Beleuchtung Vorteile Nachteile• gute Farbqualität • Lebensdauer• effiziente • Verkapselung Flächenlichtquelle, wird • noch teuer nicht heiß• dünn, leicht, niedrige Herstellungskosten
  28. 28. Weitere Anwendungsfelder• OFET• „Wegwerfelektronik“
  29. 29. Der Forschungsstandort DeutschlandBild 23
  30. 30. Förderung
  31. 31. 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
  32. 32. Weitere Förderung• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)  Grundlagenforschung• landesspezifische Fördermaßnahmen auf Bundesebene• Förderung auf europäischer Ebene  143 Mio. €
  33. 33. Internationaler Vergleich• Wettbewerb zwischen Asien, USA, Europa• Chancen für Deutschland:  OLED Beleuchtungs-Produkte  OPV und OFET Bild 24: Zentren der Organischen Elektronik
  34. 34. 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
  35. 35. 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 $
  36. 36. Fazit Organische Elektronik Anorganische Elektronik• viele Vorteile • lange Entwicklungszeit• teilweise noch enormer • übertrifft in der Leistung Entwicklungsbedarf die OE in vielen Bereichen
  37. 37. Fazit• Deutschland hat eine gute Ausgangsposition• gute Aussichten, wenn Schwächen beseitigt werden keine Revolution, sondern Ergänzung um viele neue Anwendungen Bild 25: OLED
  38. 38. QuellenLiteratur:Pagliaro, Mario, und Palmisano, Giovanni, und Ciriminna, Rosaria: Flexible Solar Cells, Weinheim:Wiley-VCH Verlag, 1. Auflage 2008Jäger, Fredy: Photovoltaik: Strom aus der Sonne; Technologie, Wirtschaftlichkeit und Marktentwicklung,Karlsruhe: C. F. Müller 1986Rindelhardt, Udo: Photovoltaik Stromversorgung, B. G. Teubner, 1.Auflage August 2001Brabec, Christoph, und Dyakonov, Vladinir und Scherf, Ulrich: Organic Photovoltaics: Materials, DevicePhysics, and Manufacturing Technologies, Weinheim: Wiley-VCH 2008Wagemann, Hans-Günther und Eschrich, Heinz: Photovoltaik: Solarstrahlung undHalbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben, Wiesbaden; Vieweg+Teubner, 2. Auflage2010Leitung: Tkotz, Klaus: Fachkunde Elektrotechnik, Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel, 27. Auflage2009acatech BERICHTET UND EMPHIELT-Nr.6: Organische Elektronik in Deutschland, Bewertung undEmpfehlungen für die Weiterentwicklung, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011Zeitschriften:Chemie Unserer Zeit : Organische Solarzelle, Energie, Weinheim: Wiley-Vch Verlag 2010, 44, 174-189Physik Journal 7 Nr.5: Grundlagen der Organischen Halbleiter, Weinheim: Wiley-Vch Verlag 2008Optik & Photonik: OLED in der Anwendung, Weinheim: Wiley-VCH Verlag 2008
  39. 39. Internet: Quellen• http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2003/th2003_06_03.pdf , 24.4.2012 11:27• http://www.erneuerbareenergien.de/organische-solarzellen-in-der-fassade/150/406/31775/ , 24.4.2012 12:57• http://www.solarserver.de/solar-magazin/solar-report/farbstoff-solarzellen-und-organische-photovoltaik.html , 24.4..2012, 14:44• http://zae.uni-wuerzburg.de/deutsch/abteilung-2/arbeitsgebiete/organische-photovoltaik/kunststoffsolarzellen.html, 2.5.2012, 18:12• http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2003/th2003_06_03.pdf, 3.5.2012, 12:03• http://shelx.uni-ac.gwdg.de/~rherbst/eirmer/html/ChEA2010/Woehrle_Solarzellen.pdf Funktionsweise, 3.5.2012, 12:55• http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_LMprak_organische_solarzellen.pdf, 30.4.2012, 18:06• http://intern.ipv.uni-stuttgart.de/content/web9/docs/OrganischeSolarzellen.pdf, 2.5.2012, 17:29• http://www.heliatek.com/?page_id=107, 15.5.2012, 10:54• http://www.weltderphysik.de/gebiete/technik/energie/gewinnungumwandlung/solarenergie/photovoltaik/organische-solarzellen/, 17.5.2012: 11:03• http://www.pv-uni-netz.de/img/Jahrestagung2003/uv_4_organische_01.pdf , 20.4.2012, 13:18• http://www.solarserver.de/solar-magazin/solar-report/farbstoff-solarzellen-und-organische-photovoltaik.html 21.5.2012 18:11• http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/10/1209113927393-7673.pdf 18:34• 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.April 18:46• http://www.elektroniktutor.de/bauteile/oled.html, 18.5.2012, 18:34• http://www.ifkp.tu-berlin.de/fileadmin/i1/Kneissl/IS08_OLED_PR.pdf, 25.5.2012, 21:05• http://www.oled-fernseher-vergleich.de/2010/07/vorteile-der-oled-displays-gegenuber-bisherigen-technologien/, 27.4.2012, 14:23• http://www.osram.de/osram_de/trends-und-wissen/oled--home/professionelles-wissen/index.jsp, 27.4.2012, 14:31• http://weblogs.mki.fh-duesseldorf.de/driversdesktop/LED_OLED_Recherche.pdf, 27.4.2012, 14:39• http://www.computerbild.de/artikel/avf-Aktuell-TV-Samsung-Super-OLED-Fernseher-Marktstart-und-Preis-bekannt-7092559.html, 2.5.2012, 16.17• http://www.morgenpost.de/web-wissen/article106161419/Das-Super-Fernsehen-ist-jetzt-serienreif.html, 2.5.2012, 16:32• http://www.iapp.de/~mi-hoffm/Pdf/ScriptOrgHL06.pdf, 2.5.2012, 17:34• http://www.bmbf.de/de/16267.php, 22.5.2012, 19:09• http://www.pt-it.pt-dlr.de/de/2061.php, 22.5.2012, 20:29• http://www.pro-physik.de/details/physiknews/1424111/Zukunftspreis_fuer_organische_Elektronik.html, 1.2.2012, 9:57
  40. 40. Bilder: Quellen• Bilder auf Deckblatt:: Organische Solarzelle: http://solarthemen.de/wordpress/wp-• content/uploads/2009/11/_p_316_8.jpg, 26.5.2012, 17:27• Origami-OLED: http://cache.gizmodo.com/assets/images/4/2010/08/oled_origami.jpg, 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%2 0Bilder/Lumiblade_22_Farbe.jpg, 26.5.2012, 18:07
  41. 41. 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.v scml.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/Projektbe richte/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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