Organische Elektronik: Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus
Materialforscher der FAU wirbt für Cradle-to-Cradle-Ansatz
Organische Elektronik kann entscheidend zur Dekarbonisierung beitragen und
zugleich seltene und wertvolle Rohstoffe einsparen helfen. Dafür ist es
notwendig, nicht nur die Herstellungsverfahren weiterzuentwickeln, sondern
bereits im Labor technische Lösungen für das Recycling zu planen. Für
diese Kreislaufstrategie werben Materialwissenschaftler der Friedrich-
Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gemeinsam mit britischen und
US-amerikanischen Forscherkollegen im renommierten Fachjournal „Nature
Materials”.*
Organische Elektronikbauteile, beispielsweise Solarmodule, haben gleich
mehrere herausragende Eigenschaften: Sie können in hauchdünnen Schichten
auf biegsame Trägermaterialien aufgebracht werden und besitzen dadurch ein
breiteres Einsatzspektrum als kristalline Materialien. Da ihre
photoaktiven Substanzen kohlenstoffbasiert sind, tragen sie zugleich dazu
bei, auf seltene, teure und zum Teil toxische Rohstoffe wie Iridium,
Platin oder Silber zu verzichten.
Besonders im Bereich der OLED-Technologie, vor allem bei TV- oder
Computerbildschirmen, erzielt die organische Elektronik enorme
Zuwachsraten. „Das ist einerseits ein Fortschritt, birgt andererseits aber
auch Probleme“, sagt Prof. Dr. Christoph Brabec, Inhaber des Lehrstuhls
für Werkstoffwissenschaften (Materialien der Elektronik und der
Energietechnologie) der FAU und Direktor des Helmholtz-Instituts Erlangen-
Nürnberg (HI ERN). Der Materialforscher sieht die Gefahr, dass eine
ökologisch sinnvolle Technologie wie die organische Elektronik dauerhaft
in eine Gerätearchitektur eingebunden wird, die insgesamt nicht nachhaltig
ist. Das betreffe nicht nur Elektrogeräte, sondern beispielsweise auch
organische Sensoren in Textilien, die eine extrem geringe Lebensdauer
haben. Brabec: „Gerade die angewandte Forschung muss jetzt die Weichen
dafür stellen, dass elektronische Bauteile in allen Einzelkomponenten und
über den gesamten Lebenszyklus hinweg einen möglichst geringen
ökologischen Fußabdruck hinterlassen.“
Effizientere Syntheseverfahren und robustere Materialien
Ein elementarer Beitrag dazu ist die Weiterentwicklung der organischen
Elektronik selbst: Durch neue Materialien und effizientere
Herstellungsverfahren lassen sich Produktionsaufwand und Energieeinsatz
reduzieren. „Im Vergleich zur Synthese einfacher Polymere ist die
Herstellung der photoaktiven Schicht um ein Vielfaches energieintensiver,
weil sie bei hoher Temperatur im Vakuum aufgedampft wird“, erklärt Brabec.
Die Forscher schlagen deshalb vor, günstigere und umweltfreundlichere
Syntheseprozesse zu etablieren – zum Beispiel die Abscheidung aus
Wasserlösungen und den Druck im Tintenstrahlverfahren. Brabec: „Eine große
Herausforderung dabei ist, funktionelle Materialien zu entwickeln, die
ohne toxische und umweltschädliche Lösemittel verarbeitet werden können.“
Im Falle von OLED-Displays bietet der Tintenstrahldruck zugleich die
Chance, Edelmetalle wie Iridium und Platin durch organische Materialien zu
ersetzen.
Neben ihrer Effizienz ist auch die Betriebsstabilität der Materialien
entscheidend: Um die aufgedampften Kohlenstoffschichten organischer
Solarmodule vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist eine aufwändige
Verkapselung notwendig, die bis zu zwei Drittel des Gesamtgewichtes
ausmacht. Resistentere Werkstoffkombinationen könnten hier zu einer
signifikanten Material-, Gewichts- und Energieersparnis beitragen.
Recycling bereits im Labor planen
Um den ökologischen Fußabdruck der organischen Elektronik realistisch
bewerten zu können, müsse man den gesamten Produktlebenszyklus im Blick
haben. Betrachtet man die reinen Leistungsdaten, liegt die organische
Photovoltaik noch immer hinter konventionellen Siliziummodulen zurück –
bei ihrer Herstellung wird jedoch dreimal weniger CO2 emittiert. Das
Streben nach dem maximalen Wirkungsgrad sei nicht alles, sagt Brabec: „18
Prozent können ökologisch sinnvoller sein als 20, wenn sich das
photoaktive Material in nur fünf statt in acht Syntheseschritten
herstellen lässt.“
Auch die geringere Lebensdauer organischer Module relativiert sich bei
genauerer Betrachtung: Photovoltaik-Module auf Siliziumbasis halten zwar
länger, lassen sich jedoch kaum recyceln. „Biokompatibilität und
biologische Abbaubarkeit werden zunehmend wichtige Kriterien sowohl für
die Produktentwicklung als auch für das Verpackungsdesign“, sagt Christoph
Brabec. „Wir müssen damit beginnen, das Recycling bereits im Labor zu
berücksichtigen.“ Das bedeutet beispielsweise, Substrate zu verwenden, die
entweder gut zu verwerten oder aber so leicht abbaubar sind wie die
aktiven Substanzen. Mit sogenannten Multilayer-Designs könne schon bei der
Konstruktion dafür gesorgt werden, dass sich verschiedene Materialien am
Ende ihres Produktlebens leicht voneinander trennen und recyceln lassen.
Brabec: „Dieser Cradle-to-Cradle-Ansatz wird eine entscheidende
Voraussetzung dafür sein, organische Elektronik als wichtigen Baustein der
Energiewende zu etablieren.“
* https://www.nature.com/article
