Goldproduktion ist giftig. Können LEDs unsere Abhängigkeit davon beenden?

In der Welt der Beleuchtungs‑ und Display‑Technologie haben Licht emittierende Dioden oder LEDs dank ihrer Energieeffizienz, langen Lebensdauer und Fähigkeit, lebendige Farben zu erzeugen, den Markt angeführt.

Eine Diode, hergestellt aus Halbleitern, lässt Strom in eine Richtung fließen und blockiert ihn in die andere. Eine Licht emittierende Diode (LED) ist hingegen einfach ein Halbleiter‑Bauelement, das Licht erzeugt, wenn Strom hindurchfließt.

Der Aufstieg der LEDs hat die Art und Weise, wie wir Licht nutzen, verändert, indem sie Licht durch Elektrolumineszenz aussenden und Display‑Technologien revolutionieren.

Unter den LEDs haben Perowskit‑Licht emittierende Dioden (PeLEDs) besonders als vielversprechende Technologie für Anzeige‑ und Beleuchtungsanwendungen an Bedeutung gewonnen, dank ihrer kostengünstigen Fertigung, hohen Effizienz und einstellbarer Lichtemission.

Perowskit‑LEDs haben ebenfalls erheblich an Zugkraft gewonnen, weil sie flexibel sind, ein leichtes Design besitzen und ein breites Farbspektrum bieten. Darüber hinaus können PeLEDs aus erd­abundant verfügbaren Materialien und energie­sparenden Verfahren hergestellt werden. Diese LEDs haben hohe Effizienzen in den roten, grünen und blauen (RGB) Farben erreicht.

In den letzten Jahren hat sich die Stabilität von PeLEDs deutlich verbessert, was ein vielversprechendes Potenzial für ihre Kommerzialisierung zeigt.

Wenn es darum geht, innovative Technologie in großem Maßstab allen zugänglich zu machen, spielen technische, wirtschaftliche und ökologische Faktoren eine entscheidende Rolle, die auch helfen, ihr nachhaltiges Potenzial zu bewerten. Diese Informationen fehlen jedoch bei PeLEDs.

Zahlreiche Studien haben die Lebenszyklus‑Auswirkungen aufstrebender Perowskit‑Solarzellen bewertet, aber ihre Ergebnisse können nicht direkt auf PeLEDs übertragen werden. Das liegt an den grundsätzlichen Unterschieden in ihren Energieumwandlungsmechanismen.

Im Gegensatz zu LEDs, die Strom in Licht umwandeln, wandeln Solarzellen Licht in Strom um. Außerdem arbeiten PeLEDs über mehrere Wellenlängen hinweg, was unterschiedliche funktionelle Schichtmaterialien und verschiedene Analysen für Geräte verschiedener Farben erfordert.

Daher ist eine umfassende Lebenszyklus‑Analyse (LCA), die alle Phasen abdeckt, notwendig, um wirksame Wege zur nachhaltigen Kommerzialisierung von PeLEDs zu identifizieren.

Eine neue Studie hat genau das getan und festgestellt, dass die nächste Generation von LEDs tatsächlich billig und nachhaltig ist.

Eine Lebenszyklus‑Bewertung von Perowskit‑LEDs

Veröffentlicht in Nature Sustainability¹ haben Forschende der Linköping University die aufkommende PeLED‑Technologie aus einer Lebenszyklus‑Perspektive untersucht, mit einem Fokus auf nachhaltige Kommerzialisierung.

„Perowskit‑LEDs sind günstiger und einfacher herzustellen als herkömmliche LEDs, und sie können auch lebendige und intensive Farben erzeugen, wenn sie in Bildschirmen verwendet werden. Ich würde sagen, das ist die nächste Generation der LED‑Technologie.“

– Feng Gao, Professor für Optoelektronik an der Linköping University

Gao’s Forschungsgruppe arbeitete mit Professor Olof Hjelm, Department of Management and Engineering (IEI) und Environmental Technology and Management (MILJÖ), sowie John Laurence Esguerra, der Assistenzprofessor an der LiU ist, zusammen, um besser zu verstehen, wie die derzeit auf dem Markt verfügbaren LEDs durch LEDs auf Basis des Perowskit‑Materials ersetzt werden können.

Perowskit‑Materialien sind eine Klasse von Materialien mit einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften. Sie besitzen hohe Absorptionskoeffizienten, hohe Elektronen‑ und Loch‑Mobilitäten und ein einstellbares Bandgap und sind zudem kostengünstig.

Um ihre Kommerzialisierung zu bewerten, nutzte das Forschungsteam eine detaillierte Lebenszyklus‑Inventar‑Analyse (LCI) von 18 fortschrittlichen Perowskit‑LEDs, die RGB, Weiß und nah‑infrarot (NIR) Wellenlängen abdecken. Die ausgewählten Geräte zeigen hohe technische Leistung und sind weithin anerkannt.

Auf Basis dieser Daten analysierten die Forschenden die Umweltauswirkungen und die wirtschaftlichen Kosten von PeLEDs.

Eine solche Analyse benötigt eine klare Systemdefinition, das heißt, was darin enthalten ist, jedoch nicht in Bezug auf Kosten und Umweltauswirkungen.

Dieses Rahmenwerk untersucht, was von Beginn an geschieht, wenn das Produkt erstellt wird, bis es nicht mehr untersucht werden kann. Ein Produktlebenszyklus hat also fünf Phasen — Produktion von Rohmaterial, Fertigung, Distribution, Nutzung und Stilllegung.

Im Grunde von der Wiege bis zur Bahre, aber „Wir möchten die Bahre vermeiden“, sagte Professor Hjelm. Fügt man Recycling hinzu, wird es, wie er bemerkte, noch komplizierter. Hjelm fügte hinzu:

„Aber hier zeigen wir, dass es am wichtigsten ist, über die Wiederverwendung organischer Lösungsmittel und die Herstellung von Rohmaterialien nachzudenken, besonders wenn es sich um seltene Materialien handelt.“

Ein besonderer Aspekt, bei dem diese Lebenszyklus‑Analyse Orientierung bietet, ist die geringe Menge an giftigem Blei, die in PeLEDs vorkommt. Während dies für die Wirksamkeit der Perowskite wichtig ist, sollte der Fokus nicht nur auf Blei liegen, da in LEDs viele weitere Materialien enthalten sind.

Das Edelmetall Gold ist eines davon und bringt eigene Herausforderungen mit sich. Laut Hjelm:

„Die Goldproduktion ist extrem giftig. Es entstehen Nebenprodukte wie Quecksilber und Cyanid. Sie ist zudem sehr energieintensiv.“

Der giftige & energieintensive Goldproduktionsprozess

Gold (Au) fasziniert die Menschheit seit der Antike mehr als jede andere Ware.

Dieses glänzende, gelbe Metall wurde einst universell als Zahlungsmittel akzeptiert. Zu einem Zeitpunkt basierte das US‑Währungssystem auf einem Goldstandard. Es ist zudem als Investitionsoption äußerst beliebt und wird zur Absicherung gegen Inflation genutzt.

Infolgedessen erreichte der Goldwert kürzlich ein neues Allzeithoch (ATH), als XAUUSD $3.000 pro Unze überstieg. Goldpreise sind 2025 um mehr als 15 % gestiegen und erleben seit Oktober 2023 einen starken Aufschwung, als sie bei etwa $1.800 pro Unze lagen.

Neben seiner Funktion als Wertspeicher wird Gold auch in Schmuck, Medizin, Elektronik, Luft‑ und Raumfahrt sowie anderen Branchen aufgrund seiner vielen attraktiven Eigenschaften eingesetzt.

Dieses helle Gelbmetall ist weich und benötigt andere Metalle, um Festigkeit zu erlangen. Es ist jedoch sehr formbar, das heißt, seine Form kann durch Kraft gesteuert werden. Neben dem Hämmern zu dünnen Blechen kann es auch zu Drähten gezogen werden.

Es ist nicht nur für seine hohe Korrosionsbeständigkeit bekannt, sondern auch ein ausgezeichneter Wärme‑ und Stromleiter.

Gold ist eines der dichtesten Metalle mit einer Dichte von etwa 19,3 g/cm³. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1064,18 °C, der Siedepunkt bei 2836 °C. Darüber hinaus ist das Metall, das den meisten Säuren widersteht und nicht leicht mit den meisten Substanzen reagiert, nicht magnetisch.

Eine Kombination dieser Eigenschaften macht Gold in Smartphones, Computern, anderen Konsumelektronikgeräten, Strahlenschutz, Leiterplatten und Halbleitersystemen sehr attraktiv.

Gold wird meist in Quarzadern eingebettet gefunden und aus der Erde durch groß‑industrielle Betriebe sowie klein‑skaligen Bergbau gewonnen.

Gold wird entweder an der Oberfläche oder unterirdisch abgebaut, wobei die Aufbereitung am Bergwerk stattfindet. Die Aufbereitung beginnt mit dem Zerkleinern, danach wird das Erz mit Chemikalien behandelt, um das Gold zu extrahieren, das anschließend durch Prozesse wie das Schmelzen zu einem Goldbarren verarbeitet wird. Der Barren wird zu einer Raffinerie transportiert, um reines Gold für den Verkauf zu produzieren.

Der hohe Wert des Metalls und seine überlegenen Anwendungsmöglichkeiten machen den Goldbergbau zu einer bedeutenden globalen Industrie. Dieser weit verbreitete Prozess ist besonders in einigen Ländern Afrikas und Südamerikas populär, wo er bis zu fünfmal mehr einbringt als Fischerei, Landwirtschaft und Forstwirtschaft.

Der Goldbergbau ist jedoch kein sauberer Prozess, sondern ein giftiger und ressourcenintensiver, der erhebliche Umwelt‑ und Gesundheitsrisiken mit sich bringt.

Die Goldproduktion verursacht CO₂‑Emissionen sowie weitere Umweltrisiken, darunter Bodenverunreinigung, Landdegradation, Wasser‑ und Luftverschmutzung sowie Zerstörung von Lebensräumen.

Der hier involvierte giftige Abfall enthält bis zu drei Dutzend gefährliche Chemikalien, darunter Blei, Quecksilber, Cyanid, Arsen, Säuren und Erdöl‑Nebenprodukte.

Die Wirkung von saurem Bergbau‑Abfluss (AMD), ein Begriff für das kontaminierte Wasser, das entsteht, wenn Bergbauunternehmen routinemäßig giftigen Abfall in Ozeane, Seen, Flüsse und Bäche leiten, ist vielschichtig und macht die Sanierung solcher Abfälle extrem schwierig.

Da der Goldbergbau dem Planeten und seinen Menschen so schadet, würde der Ersatz dieses Edelmetalls durch Aluminium, Nickel oder Kupfer in LEDs einen großen ökologischen Nutzen bringen, so die neue Studie. Gleichzeitig kann eine geringe Menge Blei beibehalten werden, damit die LED optimal funktioniert.

Günstige & nachhaltige LEDs der nächsten Generation

Perowskit‑LEDs können laut der Studie erfolgreich zu einem profitablen Marktangebot entwickelt werden. Die Studie kam zu dem Schluss, dass PeLEDs langfristig großes Potenzial für die Kommerzialisierung besitzen. Laut der Studie:

„Zukünftige PeLEDs, die durch groß‑skalige Fertigung entwickelt werden, versprechen großes Potenzial, aus ökologischer und ökonomischer Sicht wettbewerbsfähig zu werden.“

Der Weg zur nachhaltigen Kommerzialisierung hat laut der Studie drei kritische Säulen — Umwelt, Wirtschaft und Technik. Diese Faktoren stimmen mit den Interessen der wichtigsten Interessengruppen überein: Produzenten, die Unternehmensgewinne und Renditen anstreben, die Koordinatoren, zu denen Gesetzgebung und Politik gehören, und Kunden, die für das Produkt zahlen.

Die Ergebnisse der Lebenszyklus‑Bewertung zeigen, dass die Umweltauswirkungen von Perowskit‑LEDs hauptsächlich aus den Eingaben von Stoffen und Strom während der Produktion resultieren. Die Vertriebsphase, also der Transport, trägt weniger als 5 % zu den Gesamtauswirkungen bei, und ihre Optimierung hängt von industriellen Ressourcen ab.

Bezüglich der Toxizitätsquellen stellte die Studie fest, dass Schwermetalle aus der Rohmaterialproduktion die Hauptverursacher im gesamten Lebenszyklus von PeLEDs sind. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die Verwendung von bleifreien Perowskiten die Umweltauswirkungen nicht per se reduziert.

Das liegt an der dünnen emittierenden Schicht, die nur wenige Zehn‑Nanometer misst, sodass der Beitrag von Pb in Perowskit‑LEDs zur gesamten Umweltbelastung minimal ist.

Die Studie identifizierte Gold als starken Verursacher und erwähnte den auffälligen Fall von Gold‑Kathoden (Au) in NIR‑PeLEDs, die über 100‑mal höhere Umweltauswirkungen zeigten als Geräte ohne Gold. Dieser Unterschied resultierte aus hoher Verschmutzung und Energieverbrauch beim Goldbergbau. Er wurde durch die Dichte von Au, die siebenmal höher ist als die von Aluminium (Al), verstärkt.

Dies betont, dass Technologien ohne Blei nicht immer eine reduzierte Ökotoxizität gewährleisten.

Daher bemerkten die Forschenden, dass das allgemeine Verständnis, Pb sei die Hauptquelle der Toxizität in Perowskit‑LEDs, nicht nur unklug, sondern auch riskant, weil es die Aufmerksamkeit von anderen kritischen Schadstoffen ablenkt.

Hinsichtlich der Kosten zeigt die techno‑ökonomische Bewertung, dass die Kosten zukünftiger PeLEDs bei etwa US$100 m‑2 liegen, vergleichbar mit den Kosten kommerzieller organischer LED‑Paneele.

Somit könnten die geringeren Kosten und die geringere Umweltbelastung von PeLEDs es sogar ermöglichen, die bestehenden LEDs zu ersetzen. Das Problem liegt jedoch in ihrer Langlebigkeit. Dieses Hauptproblem wird jedoch durch die beschleunigte Entwicklung von Perowskit‑LEDs angegangen, wodurch ihre Lebensdauer steigt.

Die Forschenden schlugen tatsächlich eine relative Impact‑Mitigation‑Time (RIMT) als neuen Parameter vor, um die für Nachhaltigkeit erforderliche Lebensdauer von Perowskit‑LEDs zu quantifizieren. Die Studie bemerkte:

„RIMT stellt die minimale Zeit dar, die benötigt wird, um relative Auswirkungen zu mindern, wobei interne und externe relative Auswirkungen gleichzeitig berücksichtigt werden.“

Laut der Studie müssen Perowskit‑LEDs ein praktisches Ziel von etwa 10.000 Stunden Lebensdauer erreichen, um einen positiven Umwelteinfluss zu erzielen. Dies sei erreichbar, so die Forschenden. Derzeit können die besten PeLEDs jedoch nur mehrere hundert Stunden halten.

Mit dieser Bewertung wollen die Forschenden eine Veränderung im LED‑Forschungsbereich bewirken, wo bisher der Fokus auf der Verbesserung der technischen Leistung von LEDs lag.

„Wir wollen, dass das, was wir entwickeln, in der realen Welt eingesetzt wird. Aber dann müssen wir als Forschende unsere Perspektive erweitern. Wenn ein Produkt hohe technische Leistung hat, aber teuer ist und nicht umwelt­nachhaltig, könnte es auf dem Markt nicht wettbewerbsfähig sein. Diese Denkweise wird zunehmend unsere Forschung leiten.“

– Muyi Zhang, PhD‑Studentin am Department of Physics, Chemistry and Biology an der LiU

Die Studie stellte zudem fest, dass die Leuchtdichte‑Effizienz weitere Forschung benötigt, um die Energieeffizienz zukünftiger PeLED‑Produkte voranzubringen.

Innovatives Unternehmen

Universal Display Corp

Während Perowskit‑LEDs die Zukunft von Beleuchtung und visuellen Displays anführen, wird der Markt derzeit von Flüssigkristall‑Displays (LCDs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) dominiert.

Im OLED‑Bereich ist Universal Display (OLED ) Corp (UDC) ein prominenter Name, der OLED‑Technologien und -Materialien für Displays und Beleuchtung erforscht, entwickelt und lizenziert.

Gegründet 1994, führt UDC die Innovation im OLED‑Bereich mit seiner proprietären UniversalPHOLED‑Phosphoreszenz‑OLED‑Technologie an. Sie entwickelt und verkauft zudem Hochleistungs‑PHOLED‑Materialien und bietet verschiedene OLED‑Technologien an, wie FOLEDs (Flexible OLEDs), die in Tablets und faltbaren Smartphones verwendet werden; TOLEDs (Transparente OLEDs), die in Fenstern und Displays eingesetzt werden, und WOLEDs (Weiße OLEDs), die in Beleuchtungsanwendungen genutzt werden. Das Unternehmen entwickelt und bietet außerdem OVJP Organic Vapor Jet Printing an.

Mit einer Marktkapitalisierung von 7,1 Mrd. $ werden die OLED‑Aktien zum Zeitpunkt dieser Schreibens zu 149,90 $ gehandelt, ein Anstieg von 2,84 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 4,66, während das KGV (TTM) bei 32,24 liegt. Die Dividendenrendite beträgt 1,20 %.

Bezüglich der Unternehmensfinanzen berichtete Universal Display Corporation kürzlich über die Ergebnisse für das 4. Quartal 2024. In diesem Zeitraum erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 162,3 Mio. $, gegenüber 158,3 Mio. $ im 4. Q23. Darin enthalten waren 93,3 Mio. $ Umsatz aus Materialverkäufen aufgrund gestärkter Nachfrage nach Emittenten‑Materialien und 64,4 Mio. $ aus Lizenz‑ und Tantiemen. Die Kosten für Materialverkäufe lagen hingegen leicht höher bei 34,2 Mio. $.

Der Nettogewinn betrug 46 Mio. $, was gegenüber 62 Mio. $ im Vorjahr ein Rückgang war, und das operative Ergebnis lag bei 52,5 Mio. $, was gegenüber 64,7 Mio. $ gefallen ist. Der Nettogewinn betrug im 4. Q 46,0 Mio. $ bzw. 0,96 $ pro verwässerter Aktie. Die Quartalsdividende stieg zwischenzeitlich um 12 % auf 0,45 $ pro Aktie.

Für das gesamte Jahr 2024 meldete UDC Einnahmen von 647,7 Mio. $, ein Anstieg von 12 % gegenüber 576,4 Mio. $ im Vorjahr. Der Nettogewinn betrug 222 Mio. $, ein Plus von 9 % gegenüber 2023.

„Wir freuen uns, berichten zu können, dass 2024 ein rekordverdächtiges Jahr mit solider finanzieller Leistung war. In der OLED‑Industrie erweitern sich die Produkt‑Roadmaps, und führende Panel‑Hersteller investieren in neue Fabriken, um die steigende Nachfrage zu decken, insbesondere in den aufstrebenden IT‑ und Automobilmärkten. Wir glauben, dass dieser neue Investitionszyklus den Weg für bedeutende neue OLED‑Kapazitäten, neue OLED‑Produkte und neue OLED‑Nutzer ebnen wird.“

– CFO Brian Millard

Jetzt, für 2025, erwartet das Unternehmen einen Umsatz im Bereich von 640 Mio. $ bis 700 Mio. $. Somit prognostiziert UDC ein Wachstum von bis zu 8 % oder einen Rückgang von 1 % beim Umsatz.

Zum Zeitpunktrahmen für die blauen Phosphoreszenz‑Materialien (PHOLED) und die Kommerzialisierung teilte UDC mit, dass sie näher denn je sei und die Kommerzialisierung als „einen bedeutenden Sprung nach vorn in der OLED‑Technologie“ bezeichnet. Zuversichtlich in die Fähigkeit, das blaue PHOLED zu liefern, sagte das Unternehmen, dass die Markteinführung nur Monate und nicht Jahre dauern würde, obwohl es nicht erwartet, in diesem Jahr nennenswerte Einnahmen daraus zu erzielen.

Dieser Wechsel von fluoreszierendem zu phosphoreszierendem Blau markiert einen großen Übergang, der zu einem massiven Anstieg (von einem Viertel auf 100 %) der internen Leuchteffizienz für Blau in OLED‑Displays führen und gleichzeitig deren Stromverbrauch senken wird.

Bezüglich des OVJP‑Projekts plant das Unternehmen, sein OVJP‑Zentrum in Kalifornien zu schließen, während eine neue Tochtergesellschaft namens Universal Vapor Jet Corporation in Singapur gegründet wurde, um die OVJP‑Kommerzialisierung zu übernehmen. UDC hält OVJP für eine Spitzentechnologie in der Fertigung großflächiger Displays.

Neueste Informationen zu Universal Display Corporation

Fazit

Perowskit‑LEDs (PeLEDs) gewinnen zunehmend an Bedeutung als nächste Generation von Lichtquellen, da sie ein hohes Effizienz‑Potenzial und ein breites Anwendungsspektrum bieten, was sie für Anzeige‑ und Beleuchtungsanwendungen vielversprechend macht.

Wie die neueste Studie zeigt, könnten ihre geringeren Kosten und die reduzierte Umweltbelastung es ermöglichen, die bestehenden LEDs zu ersetzen. Die Umweltbelastung lässt sich erheblich reduzieren, indem man den Fokus auf Gold statt auf Blei legt. Der Ersatz von Au durch nachhaltigere Materialien wie Aluminium oder Nickel hilft, die Herausforderungen des Goldbergbaus zu adressieren und den ökologischen Fußabdruck der PeLED‑Produktion drastisch zu senken.

Während Perowskit‑LEDs großes Potenzial zeigen, hängt ihre Kommerzialisierung von der Verbesserung der Lebensdauer und der Leuchteffizienz ab. Durch die Bewältigung von Langlebigkeits‑Herausforderungen zusammen mit kostengünstiger Produktion, nachhaltiger Fertigung und lebendiger Farbausgabe können PeLEDs den LED‑ und Display‑Markt disruptieren und eine breite Akzeptanz erreichen.

Studien zitiert:

1. Zhang, M., Ma, X., Esguerra, J. L., et al. (2025). Hin zu nachhaltigen Perowskit‑Leuchtdioden. Nature Sustainability. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01503-7