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Modell für bessere organische Halbleiter Die optimale Druckertinte für Solarzellen und OLEDs berechnen

Autor / Redakteur: Dr. Christian Schneider* / Christian Lüttmann

Solarzellen oder Leuchtdioden basieren verbreitet auf Silizium. Doch organische Halbleitermaterialien könnten das Silizium mehr und mehr ersetzen, etwa in OLEDs. Um die Produktion solcher Halbleiterschichten zu optimieren, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung ein Computermodell entwickelt. Damit lässt sich das Verhalten der „Tinten“ vorhersagen, mit denen die Halbleiterschichten gedruckt werden.

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Mit Computersimulationen können Wissenschaftler des MPI-P die Struktur von Kristallen bei organischen Halbleiterschichten vorausberechnen.
Mit Computersimulationen können Wissenschaftler des MPI-P die Struktur von Kristallen bei organischen Halbleiterschichten vorausberechnen.
(Bild: MPIP Mainz)

Mainz – Organische Halbleiter werden heute für verschiedene elektronische Bauteile wie Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren verwendet. Während einige dieser Anwendungen bereits weit verbreitet sind (insbesondere OLEDs), müssen andere noch erheblich verbessert werden, bevor sie zur Marktreife gebracht werden können. Solche Komponenten sind auf den Transport von Elektronen durch den organischen Halbleiter angewiesen.

Bei OLEDs beispielsweise werden die Elektronen durch eine elektrische Spannung mit Energie versorgt, die sie dann in Form von Licht wieder emittieren können. Ist die Qualität der organischen Schicht jedoch schlecht, wird ein Großteil der Energie an das Material zurückgegeben, ohne Licht abzugeben.

Kristallisierende Druckertinte

Eine attraktive Methode zur Herstellung der Halbleiterschichten ist das Drucken oder Beschichten mit einer Tinte, die den organischen Halbleiter in einem Lösungsmittel enthält. Beim Verdampfen des Lösungsmittels bildet der Halbleiter Kristalle. Größe und Form dieser Kristalle bestimmen das Aussehen und die Qualität der Funktionsschicht. „Die optimale Kristallgröße und -form ist stark anwendungsabhängig“, sagt Dr. Jasper J. Michels. Er hat mit seinem Team am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) ein Computermodell entwickelt, das die Qualität der Funktionsschicht in Abhängigkeit von der Verarbeitung, z.B. Trocknungszeit oder Beschichtungsgeschwindigkeit, vorhersagt.

Bisher konnte man nicht vorhersagen, wie die Kristallisation von den Eigenschaften der Druckfarbe und vom Beschichtungsprozess abhängt. Daher ist es meist zeitaufwändig, materialintensiv und teuer, eine Herstellungsstrategie zu finden, die die bestmögliche Produktleistung ergibt. Ohne vorhersagen zu können, wie die gedruckten Schichten sich verhalten werden, könne man nur schwer Laborexperimente auf den industriellen Maßstab übertragen, betont Michels.

Modell hilft bei der Prozessentwicklung

Das nun entwickelte Computermodell entwickelt, ahmt die tatsächliche Beschichtung und Kristallisation in Echtzeit nach. Indem die Wissenschaftler die Beschichtungsgeschwindigkeit in ihren Computersimulationen erhöhten, zeigten sie, wie die Form der Kristalle sich verändert: Von Bändern über längliche Ellipsoide zu kleinen Polygonen.

Die Simulationen ergaben, dass es stark davon abhängt, wie schnell das Lösungsmittel verdunstet, ob diese Formübergänge plötzlich oder allmählich erfolgen. „Wenn wir jetzt wissen, welche Rolle Kristall-Kristall-Grenzflächen während der Operation spielen, kann unser neues Modell die Material- und Prozesseinstellungen vorberechnen, um einen optimalen Kompromiss zwischen z.B. Produktionsgeschwindigkeit und Filmqualität zu erreichen“, erklärt Michels. „Wir hoffen daher, dass unsere Arbeit ein wichtiger Schritt ist, um schließlich neue Produkte auf der Basis organischer Halbleiter verfügbar zu machen.“

Originalpublikation: Jasper J. Michels, Ke Zhang, Philipp Wucher, Pierre M. Beaujuge, Wojciech Pisula, Tomasz Marszalek: Predictive modelling of structure formation in semiconductor films produced by meniscus-guided coating, Nature Materials (2020); DOI: 10.1038/s41563-020-0760-2

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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