PEDOT:PSS

Kunststoffe gelten normalerweise als Isolatoren: Sie leiten keinen Strom, deshalb umhüllt Plastik ja auch Kabel. PEDOT:PSS ist eine Ausnahme. Es ist ein Kunststoff, der Strom leitet, und der zusätzlich fast durchsichtig ist, wenn man ihn hauchdünn aufträgt. Der Name besteht aus zwei Teilen, weil das Material eine Mischung aus zwei sehr langen Molekülketten ist. Die eine Kette, PEDOT, transportiert den Strom. Die andere, PSS, sorgt dafür, dass sich das Ganze in Wasser verteilen und wie Tinte verarbeiten lässt.

Warum ein leitender Kunststoff Indium ersetzen soll

Jedes Handydisplay und jede Solarzelle braucht eine Schicht, die zwei Dinge gleichzeitig kann: Strom leiten und Licht durchlassen. Bisher übernimmt das meist Indiumzinnoxid, kurz ITO. Das ist ein sprödes Metalloxid, und Indium ist ein seltener, teurer Rohstoff. Wer eine Alternative findet, macht Bildschirme und Solarmodule billiger und unabhängiger von wenigen Lieferländern.

Der zweite Grund ist mechanischer Natur. ITO reißt, wenn man es biegt, weil es hart und glasartig ist. PEDOT:PSS ist ein Polymer und damit flexibel. Genau deshalb taucht es überall dort auf, wo Elektronik faltbar, rollbar oder dehnbar sein soll. Ein Sensor, der auf der Haut klebt, kann aus ITO praktisch nicht bestehen.

Dazu kommt die Verarbeitung. ITO wird im Vakuum aufgedampft, was aufwendige Anlagen erfordert. PEDOT:PSS kommt als wässrige Flüssigkeit und lässt sich drucken oder aufschleudern. Das eröffnet die Möglichkeit, Elektronik von einer Rolle zu produzieren, ähnlich wie eine Zeitung gedruckt wird.

Zwei Ketten, eine Aufgabenteilung

PEDOT allein wäre unbrauchbar. Die Ketten verhaken sich zu einem harten Klumpen, der sich in keiner Flüssigkeit löst. Deshalb gibt man PSS dazu. PSS ist eine lange, stark wasserfreundliche Kette, die sich an PEDOT anlagert. Sie hält die PEDOT-Stücke einzeln in Schwebe, so wie Spülmittel Fettropfen im Wasser verteilt. Das Ergebnis ist eine dunkelblaue Dispersion, die man wie Tinte behandeln kann.

Die Leitfähigkeit selbst entsteht durch Dotierung. Dem PEDOT fehlen an vielen Stellen Elektronen, es hat also positive Fehlstellen. Diese Löcher können entlang der Molekülkette wandern, und genau das ist der Stromfluss. PSS liefert dabei die passenden negativen Gegenladungen und hält das System stabil. Ohne diesen Ladungsausgleich würde das Material sofort zerfallen.

Ein verbreiteter Irrtum ist, PEDOT:PSS sei so leitfähig wie Kupfer. Das stimmt nicht einmal annähernd. Im Rohzustand liegt es weit unter Metallen, und auch weit unter ITO. Erst Zusätze wie bestimmte Lösungsmittel ordnen die Ketten neu und steigern die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen. Damit rückt es in die Nähe von ITO, ohne es überall zu erreichen.

Von der Solarzelle bis zum Hautsensor

Am häufigsten steckt PEDOT:PSS in organischen Solarzellen und OLED-Displays, also Bildschirmen, deren Pixel selbst leuchten. Dort liegt es als hauchdünne Zwischenschicht zwischen Elektrode und aktivem Material und sorgt dafür, dass Ladungen sauber übergehen. Man sieht es nicht, aber ohne diese Schicht arbeiten viele Bauteile deutlich schlechter.

Ein wachsendes Feld ist die Bioelektronik. Weil das Material weich ist und in feuchter Umgebung funktioniert, eignet es sich für Elektroden, die auf oder sogar im Körper sitzen. Forschungsgruppen bauen damit Sensoren für Herz- und Hirnsignale, die sich der Haut anschmiegen. Metallelektroden sind hier oft zu starr und drücken.

In Nachrichten taucht PEDOT:PSS meist in Meldungen über gedruckte Elektronik, flexible Displays oder Neurotechnik auf. Der bekannteste Schwachpunkt wird dort ebenfalls oft genannt: Das Material ist sauer und zieht Wasser an, was benachbarte Schichten über Jahre angreifen kann. An haltbareren Varianten wird deshalb intensiv geforscht.