Organische Elektronik - Bau, Untersuchung und Nutzung eines polymerbasierten, elektrochromen Fensters und einer organischen Solarzelle

Halbleiter sind heutzutage zu einem unserer wichtigsten Rohstoffe geworden. Handys, Smartphones, Computer, all dies wäre ohne sie nicht denkbar. Allerdings sind Ressourcen wie Silizium und Germanium nur begrenzt verfügbar oder benötigen zur Gewinnung umweltbelastende und energetische aufwendige Verfahren. Gibt es also Alternativen zu diesen Metallen?

Die Antwort auf diese Frage sind konjugierte Polymere. Kunststoffe, die durch ihre abwechselnde Einfach- und Doppelbindung halbleiterähnliche Eigenschaften besitzen und u. a. in der Lage sind elektrischen Strom zu leiten. Diese „Organischen Halbleiter“ erlebten durch ihre einfache und kostengünstige Synthese schnell einen Durchbruch, doch konnten sie sich erst in manchen Bereichen gegen die herkömmlichen Techniken behaupten.

Grundlage für dieses Phänomen ist die Tatsache, dass die Kohlenstoff-Atome im Polymer sp²-

hybridisiert sind und somit ein p-Orbital senkrecht zur σ-Bindung zwischen den einzelnen Atomen steht. In einem Molekül verschmelzen nun benachbarte p-Orbitale zu π-Molekülorbitalen, in denen sich die Elektronen frei (delokalisiert) bewegen können. Hinzu kommt, dass mit steigender Kettenlänge der „Aufwand“ für ein Elektron sich im Molekül zu bewegen immer mehr sinkt. Zur Stromleitung bewegt sich nun eine Ladung durch das Molekül. Jedoch haben die Moleküle nur eine begrenzte Länge und liegen ungeordnet vor. Somit muss das Elektron zum „Fließen“ die Lücke zwischen einzelnen Molekülen überwinden. Dies geschieht in sogenannten „Hüpf-Prozessen“, durch die das Elektron von einem Molekül aufs nächste springt. Dies ist allerdings energetisch sehr aufwendig und somit der Hauptgrund, warum die Leitfähigkeit von konjugierten Polymeren unter der von Metallen liegt.

So stellte ich mir die Frage, inwiefern sich diese Eigenschaften für den alltäglichen Gebrauch

nutzen lassen. Ein Beispiel hierfür ist die Elektrochromie. Hierbei verändert ein Stoff durch

einen Stromfluss seine optischen Eigenschaften (Veränderung des Absorptionsspektrums).

Dies kann bspw. bei Fenstern genutzt werden, da man diese so zwischen durchlässig und

absorbierend, je nach Wetterlage schalten könnte. Ein solches System zu realisieren setzte

ich mir als Ziel meiner Arbeit. Dabei kam der Gedanke auf, dass zum Detektieren der Lichtstärke

theoretisch auch ein auf organischen Halbleiter basierendes System genutzt werden

könnte. Noch besser wäre es, wenn dieses auch noch in der Lage wäre, den nötigen Strom

zu Regulation des elektrochromen Glases direkt zu liefern. Hierzu soll also eine organische

Photovoltaikzelle (kurz OPV) konstruiert und auf ihre Kompatibilität mit einem elektrochromen

Glas zu einem Sensor-Aktor-System geprüft werden. Des Weiteren wird versucht, die ablaufenden Prozesse in OPV und elektrochromem Glas zu deuten und mögliche Problematiken

herauszustellen.

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Preisträger

Lukas Schmitt

Schulfach

Chemie

Betreuende Universität

Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Ausgezeichnete Arbeiten

2015, Biologie, 1. Platz,
Magdalena Schindler, Universität Wien

Der Nachweis der Koch'schen Postulate - ein Experiment mit Äpfeln

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2015, Informatik, 3. Platz,
Tobias Hilbig, Ludwig-Maximilians-Universität München

Optimierung und Laufzeitanalyse einer künstlichen Intelligenz für das Spiel Vier gewinnt

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2019, Informatik, 1. Platz,
Tobias Prisching, FH Wiener Neustadt

Künstliche Neuronale Netzwerke und ihr Verhalten beim MNIST-Datensatz

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