Es werde Licht! Ohne Optoelektronik sind viele Elemente des modernen Lebens gar nicht denkbar. Dank ihr leuchten Laptopbildschirme, lassen sich Filme auf Blu-ray ansehen und Steuererklärungen mit Laserdruckern ausdrucken. Doch wie bei vielen Dingen im Leben gibt es auch in punkto Optoelektronik noch Luft nach oben: So sind etwa anorganische Solarzellen aus Silizium bislang noch recht bruchempfindlich und wenig nachhaltig. In diesen wie in vielen weiteren Fällen sind sowohl umfangreiche Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung an Materialien vonnöten, denn auch angesichts der Klimaveränderungen werden umweltschonende und effiziente Stoffe für die Industrie und zur Energiegewinnung gebraucht. Doch wie genau entstehen neue Materialien und wie können nützliche Materialeigenschaften bewahrt und andere gezielt verbessert werden?

Eben solchen Fragen widmen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Sonderforschungsbereich (SFB) 951 „HIOS“ in Berlin-Adlershof, der sich der Erforschung von anorganischen/organischen Hybridsystemen für optoelektronische Bauelemente widmet. Er ist Teil des IRIS Adlershof (Integrative Research Institute for the Sciences), an dem die Forschung an Hybridsystemen einen strategischen Schwerpunkt bildet. Bei HIOS arbeiten Expertinnen und Experten aus unterschiedlichen Fachbereichen zusammen, erforschen und verbessern Materialeigenschaften, indem sie anorganische mit organischen Stoffen verbinden und so neuartige Materialien entwickeln.

Einer der bei „HIOS“ forscht ist der Materialwissenschaftler Prof. Dr. List-Kratochvil, der sich auf Optoelektronik spezialisiert hat und sich in den vergangenen Jahren, insbesondere mit dem Drucken elektroaktiver Materialien befasst. Zur Anwendung kommen solche speziellen Druckverfahren zum Beispiel bei der Herstellung von OLEDs – Leuchtdioden basierend auf organischen Halbleitern, die leicht, biegbar und kostengünstig in der Herstellung sind. „Das Drucken von Leuchtelementen und Speicherbausteinen ist eine unserer Kernkompetenzen. Da verbinden wir physikalische, chemische und materialwissenschaftliche Expertise“, erklärt der Wissenschaftler.

Team forscht über hybride Solarzellen

In Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin befassen sich List-Kratochvil und sein Team derzeit unter anderem damit, neuartige, hybride Solarzellen zu entwickeln – Solarzellen also, die sowohl „klassisch“ aus anorganischen Materialien bestehen, in denen aber auch organische Materialien verbaut sind. „Die organischen Zellen, die wir drucken können, sind elastisch und billig zu produzieren. Anorganische Solarzellen aus Silizium wiederum weisen eine hohe Effizienz auf. Wenn wir nun beides in einer Tandemtechnologie verbinden, dann können wir zukünftig eine Effizienz von bis zu 30 Prozent erreichen.“ Eine Erfolgsmeldung, erreichen konventionelle Solarzellen bislang doch üblicherweise nur einen Wirkungsgrad von 15-25 Prozent.

Nur wenige Gehminuten von Emil List-Kratochvils Laboratorium entfernt befindet sich das Büro von Prof. Dr. Claudia Draxl. Die Physikerin befasst sich mit den theoretischen Grundlagen der Festkörperforschung am SFB und arbeitet seit über zwanzig Jahren zu Materialeigenschaften. Sie und ihr Team berechnen mit Hilfe von Hochleistungsrechnern, über welche chemischen und elektronischen Eigenschaften Stoffe unterschiedlicher Zusammensetzung verfügen. „Man muss sehr viel Knochenarbeit leisten, um zu verstehen, was in diesen Materialien passiert. Das, was wir hier rechnen, wird zum Teil in anderen Forschungsgruppen experimentell untersucht und wir versuchen die Ergebnisse dann gemeinsam zu interpretieren“, erläutert die Wissenschaftlerin. Am Ende eines solchen Prozesses stehen nicht selten gemeinsame, interdisziplinäre Publikationen – sowohl in Hinblick auf die Theorie als auch auf die praktische Anwendung materialwissenschaftlicher Forschung.

Materialien der Zukunft

Tatsächlich sei die Arbeit an hybriden Materialien aus organischen und anorganischen Stoffen besonders interessant, berichtet die Professorin – unter anderem, da der Ansatz recht neu sei. „Aktuell betrachten wir Grenzflächen zwischen sogenannten TMDCs und organischen Molekülen, die sehr unterschiedliche Eigenschaften haben“, berichtet die Forscherin. In hauchdünnen Schichten werden hier organische Materialien und anorganische Halbleiter mit dem etwas sperrigen Namen TMDC (transition metal dichalcogenide) in Kontakt gebracht. TMDCs zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sich Elektronen gut in ihnen bewegen können, während organische Halbleiter zum Beispiel besser darin sind, Licht zu absorbieren und bei Bedarf abzugeben. Einige Wochen dauert es jeweils, bis Draxl und ihr Team die optoelektronischen Eigenschaften eines einizen solchen Systems berechnet haben, die sich aus den je spezifischen Stoffkombinationen ergeben. „Was kann man von den guten Eigenschaften der beiden Materialien nutzen und was kann man von den nicht so guten loswerden? Das ist die Idee von Hybridmaterialien.“

Die besten Momente seien die, in denen sie Ergebnisse mit ihren Promovierenden und Postdoktorandinnen und -doktoranden diskutiere, sagt Claudia Draxl. „Wenn man sieht, was die jungen Leute schaffen und wie sie an die Probleme in Hinblick auf Hybridmaterialien herangehen – das ist, was Wissenschaft so besonders spannend macht.“ Auch sei die Arbeit am SFB mit vielen Standortvorteilen verbunden. „Gerade auch im Exzellenzverbund arbeiten wir sehr eng zusammen. Das ist eine ideale Forschungslandschaft, in der man sich extrem gut vernetzen kann.“ Dem kann sich Emil List-Kratochvil nur anschließen: „Neben dem innovativen Ansatz des SFB ist das Spannende an der Arbeit in Adlershof, dass es hier so viele starke Forschungsgruppen gibt – und der Interaktionsradius beträgt nur siebenhundert Meter“, resümiert der Materialwissenschaftler. Optimale Voraussetzungen also, um den Materialien der Zukunft auf die Spur zu kommen.

Autorin: Nora Lessing

Weitere Informationen

• Webseite Hybrid Devices Group  (Prof. Dr. Emil List-Kratochvil)
• Webseite solid-state theory group (Prof. Dr. Claudia Draxl)
• Webseite SFB 951- HIOS
• Webseite IRIS Adlershof