Rote, grüne und blaue OLEDs mit einer 2x2 mm aktiven Fläche für Leistungstests. (Bild: Deutscher Zukunftspreis / Ansgar Pudenz)

Rote, grüne und blaue OLEDs mit einer 2x2 mm aktiven Fläche für Leistungstests. (Bild: Deutscher Zukunftspreis / Ansgar Pudenz)

DRESDEN (mg). Am Anfang gab es eine Abfuhr. Das kann niemals funktionieren, winkte ein Fachgutachter einer Forschungsförderungsagentur ab. Jetzt, 15 Jahre später, hat der Physiker Prof. Karl Leo mit zwei Mitstreitern für den heftig kritisierten Forschungsansatz den Deutschen Zukunftspreis erhalten, einen der bedeutendsten Forschungspreise des Landes.

Leo, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, hat sich der organischen Elektronik verschrieben. Bisher wird für elektronische Bauteile vor allem anorganisches Silizium verwendet. Das spröde Material ist zwar ein guter Halbleiter, doch seine Herstellung erfordert einen erheblichen Aufwand. Man muss bei hohen Temperaturen einen großen Kristall heranwachsen lassen und anschließend in dünne Scheiben, die ‘Wafer’, zerschneiden.

Eleganter ist es, einen organischen Stoff zu verwenden, eine Art Farbstoff, wie er auch für Straßenschilder verwendet wird. Der lässt sich problemlos auf biegsame Folien oder andere Substrate auftragen. So können Träume wahr werden: etwa ein Bildschirm, den man zusammenrollen und in die Tasche stecken kann, oder eine Fensterscheibe, die nachts auf Knopfdruck leuchtet, das Zimmer in ein angenehmes Licht taucht und kaum Strom verbraucht.

Allerdings sind organische Farbstoffe schlechte Halbleiter. Hier kommt die entscheidende Idee zum Zug, die zunächst belächelt wurde: Die unzureichende Leitfähigkeit wird mit einer Dotierung erhöht, also der Zugabe einer geringen Menge einer anderen chemischen Substanz. Inzwischen ist es gelungen, mit einer Beimischung von nur einem Prozent die elektrische Leitfähigkeit um den Faktor eine Million und mehr zu steigern.

Der Deutsche Zukunftspreis ist mit 250.000 Euro dotiert. Er wird seit 1997 jährlich vom Bundespräsidenten verliehen. Der Preis zeichnet herausragende Innovationen aus, die den Sprung aus der Forschung in die Praxis geschafft haben. Die Fraunhofer-Gesellschaft gehörte schon oft zu den Siegern, weil sie genau an dieser Schnittstelle zwischen Labor und Markt aktiv ist. Diesmal hat die organische Elektronik das Rennen gemacht, eine Technologie, “die unser Leben verändern wird”, ist Leo überzeugt.

Schon heute haben die hauchdünnen Halbleiter den Schritt in die Massenproduktion geschafft. Ähnlich wie Silizium-Chips sind sie vielseitig einsetzbar: Sie können sowohl elektrische Energie in Licht umwandeln als auch – umgekehrt – Sonnenlicht in Strom. Die Novaled AG verfolgt den ersten Ansatz und produziert Materialien für Displays und Leuchten, die Heliatek GmbH widmet sich der Photovoltaik.

Beide Unternehmen sind Ausgründungen aus dem Forschungsteam um Prof. Leo, beschäftigen zusammen fast 200 Mitarbeiter und bilden mit weiteren Dresdener Firmen eines der weltweit bedeutendsten Cluster der organischen Elektronik. Zu den Unternehmensgründern gehören Jan Blochwitz-Nimoth (Novaled) und Martin Pfeiffer (Heliatek), die sich zusammen mit ihrem Mentor Leo den Zukunftspreis teilen.

Bei der Vermarktung hat die Novaled AG die Nase vorn: Sie stellt bereits Materialien für Handy-Displays als Massenprodukt her. In zwei bis drei Jahren sollen Fernsehbildschirme folgen, die besonders flach, farbecht und sparsam beim Energieverbrauch sind. “Ein OLED-Display verbindet die wichtigsten Vorzüge der beiden aktuellen Technologien, der LED- und Plasmabildschirm-Technologie”, meint Blochwitz-Nimroth. Es ist effizienter als ein Plasmabildschirm und liefert schärfere Bilder als ein LED, weil es ohne Hintergrundbeleuchtung auskommt. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet der OLEDs ist die Verwedung als flächige Beleuchtung.

Solarzellen auf organischer Basis gibt es noch nicht als Massenware. Bei der Heliatek GmbH wird die Produktion voraussichtlich im nächsten Jahr anlaufen. Ihre Prototypen haben derzeit einen Wirkungsgrad von etwas über neun Prozent und können damit noch nicht gegen die üblichen Siliziumzellen konkurrieren. “Doch längerfristig werden wir an die 20 Prozent herankommen”, ist Prof. Leo überzeugt.

Außerdem haben die organischen Zellen gegenüber dem Silizium andere Vorteile. Vor allem lassen sie sich relativ einfach – und damit preiswert – herstellen. Das Sieger-Trio um Karl Leo dampft im Vakuum hauchdünne Schichten des organischen Materials auf einen Träger. Diese Auflagen sind nur einen Fünftelmikrometer dick, tausendmal dünner als herkömmliche Solarzellen. Ein halbes Gramm Halbleitermaterial genügt, um eine Fläche von einem Quadratmeter zu beschichten – und zwar bei Raumtemperatur und nicht erst bei einer Hitze von rund 1000 Grad, wie sie bei anorganischen Zellen nötig ist.

Das spart Energie, außerdem ist man nicht auf hitzebeständiges Glas als Substrat angewiesen, sondern kann PET-Folien verwenden. Dieses Plastikmaterial, das auch für Flaschen genutzt wird, ist preiswert, leicht und flexibel. Die Preisträger haben mit der ‘Rolle-zu-Rolle-Technologie’ ein Verfahren entwickelt, um die Solarzellen am Fließband herstellen zu können. Die leichten Module, die dabei entstehen, lassen sich auch auf Dächern installieren, die für herkömmliche Module zu schwach sind.

Für den Zukunftspreis werden jeweils drei Projekte nominiert, die um die Siegerehre konkurrieren. Neben der ‘Organischen Elektronik’ hat die Jury in diesem Jahr noch ein weiteres Projekt aus dem Hause Fraunhofer ausgewählt. Unter dem Motto ‘Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt’ haben die Forscher eine leistungsfähigere Photovoltaik-Technologie entwickelt, die auf höchsteffizienten Solarzellen sowie der Sonne nachgeführten Konzentratormodulen basiert.

Für den Preis waren Andreas W. Bett vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Hansjörg Lerchenmüller von Soitec Solar und Klaus-Dieter Rasch von Azur Space Solar Power nominiert. Die Idee: Herkömmliches Silizium kann nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Es schwächelt ausgerechnet bei den kurzwelligen – und damit energiereichen – Anteilen und langwelliges Infrarot-Licht kann gar nicht umgewandelt werden.

Die Wissenschaftler verwenden deshalb gleich mehrere Halbleiter im Pulk: Sie stapeln Lagen aus Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium übereinander und können so die Sonnenenergie nahezu komplett einfangen. Vor zwei Jahren erzielten sie im Labor einen Wirkungsgrad von 41,1 % – damals Weltrekord. Außerdem wurde der Autobauer Daimler mit einem innovativen Assistenzsystem nominiert, das Gefahren erkennt und mit einem Brems- oder Ausweichmanöver reagiert – schneller als es ein Sebastian Vettel könnte.

Gegen diese starke Konkurrenz konnte sich das Team von Prof. Leo durchsetzen. Am 14. Dezember verlieh Bundespräsident Christian Wulff Prof. Karl Leo, Dr. Jan Blochwitz-Nimoth, und Dr. Martin Pfeiffer den Zukunftspreis 2011.

Podcast: Deutscher Zukunftspreis 2011: Forscherteam gewinnt mit ‘Organischer Elektronik’