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Chemisches Leuchten in Kölner Uni

Sonntag, 20:15 Uhr, Tatort-Zeit. Ganz Deutschland versucht wieder den Kriminalfall im Ersten zu lösen. Mit dabei: Chips und Limo. Die Zuschauer haben es sich bequem gemacht vor dem Wohnzimmerfenster. Dem Wohnzimmerfenster? Ja, denn statt im Fernseher sehen sie den wöchentlichen Krimi einfach auf der Fensterscheibe.

Schülerinnen und Schüler des Q2-Leistungskurses Chemie besuchten die Universität Köln.Das ist längst keine Zukunftsmusik mehr, sondern ansatzweise Realität. In naher Zukunft könnten sogenannte OLEDs in Form von dünnen Folien in unsere Wohnzimmer Einzug halten und den Flachbildschirm, in einigen Fällen sogar noch den Röhrenbildschirm, ersetzen. OLED steht für organische Photovoltaik. Ihr Vorteil: sie sind sehr dünn und haben eine hohe Energieausbeute.

Was in die Wohnzimmer kommt, lernten die Schülerinnen und Schüler des Chemie-Leistungskurses der Q2 bei einer Veranstaltung der Universität Köln zur Organischen Elektronik kennen, die passend zum "UNESCO International Year of Light 2015" stattfand. Organische Leuchtdioden (OLED) basieren auf der innovativen Materialklasse der konjugierten Polymere. Diese verbinden die beiden Themenfelder Kunststoffe und Farbstoffe des Fachs Chemie der Q2 miteinander.

Um die Relevanz des Themas zu erfassen, wäre der Einstiegsfilm gar nicht nötig gewesen. Ein Blick in die Hosentaschen der Schülerinnen und Schüler hätte gereicht. Denn OLEDs haben längst in den Alltag Einzug gehalten, zum Beispiel in den Displays moderner Smartphones.

Schülerinnen und Schüler des Q2-Leistungskurses Chemie besuchten die Universität Köln.Welche Grundlagen dahinterstecken, lernten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen im Schülerlabor kennen. Die Jungchemiker präsentierten dabei die einzelnen Schritte zum Bau einer OLED. Dabei befasste sich jede Gruppe intensiv mit einem Produktionsschritt und wurde so zum Experten der Produktionsstufe. Nach der Theorie ging es in die Praxis: Die Experten teilten sich in zwei Gruppen auf und bauten gemeinsam mit den Schülern eine OLED.

Aber wie funktioniert so eine OLED? Das ist einfach und zugleich kompliziert. Grundlage der OLEDs sind organische Polymere mit sogenannten konjugierten Doppelbindungen. Einfacher ausgedrückt: Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis, in denen sich Einfach- und Doppelbindungen immer abwechseln. Das sorgt für eine gewisse Beweglichkeit von Elektronen (π-Elektronen) über das riesige Molekül.

An einer Seite des Polymers wird eine Kathode, an der anderen Seite eine Anode angeschlossen. An der Kathode werden Elektronen durch das Anlegen eines elektrischen Stroms in das Polymer eingebracht. Man spricht von einer Elektroneninjektion. An der anderen Seite, der Anode, wird ein Elektron abgezogen. Es kommt zu einer Elektronenfehlstelle. Entsprechend spricht man von Lochinjektion.

Da Elektronen in diesem Polymer "wandern" können, kommt es zum "Elektronenhopping" sowie zum "Lochhopping". Treffen Elektron und Elektronenloch aufeinander, kommt es zur Rekombination (Elektronenlochpaar). Das Elektron "fällt" von einem höheren Energieniveau, der niedrigsten unbesetzten Energiestufe (LUMO), auf ein niedrigeres Energieniveau, der höchst besetzten Energiestufe (HOMO). Dabei wird Energie in Form von Wärme oder Licht frei. Die OLED leuchtet.

Schülerinnen und Schüler des Q2-Leistungskurses Chemie besuchten die Universität Köln.Dieser Vorgang kann auch umgekehrt werden. Dann wird der Prozess durch Licht induziert, das ein Elektron anregt und so ein Elektronenloch erzeugt. So kann man Licht in elektrische Energie umwandeln. Dieser Prozess läuft in sogenannten organischen Photovoltaikmodulen (OPV) ab.

Für die Schülerinnen und Schüler in ihren Kleingruppen ist die schwierige Materie leicht zu verstehen. Mit dem neuen Wissen ging es dann nochmals ins Labor. Das Ergebnis eine Stunde später: eine selbstgebaute OPV, die funktioniert. Die Chemie-LK’ler sind also gewappnet für den Krimi der Zukunft. Wenn sie gebannt den Kriminalfällen folgen, wissen sie auf jeden Fall, was hinter der Technik steckt.

Text und Fotos: S. Kunze

   

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