Neue Methode zur Optimierung von OLEDs. Regensburger Forscher entwickelt „Singulett-Harvesting“

Denn im Gegensatz zu herkömmlichen LEDs weisen OLEDs große Vorteile auf: Sie sind relativ einfach herzustellen, sehr dünn, energiesparend und sogar auf flexiblen Trägerfolien einsetzbar. Mit der neuen Technologie ist somit eine preiswerte Opto-Elektronik mit geringem Energieverbrauch realisierbar.

Allerdings leiden OLEDs noch an Kinderkrankheiten. Kopfzerbrechen bereitet unter anderem die unterschiedliche Haltbarkeit der einzelnen Pixel, was negative Auswirkungen auf die Bildqualität hat. Bislang strahlen nur die Farben Rot und Grün intensiv und dauerhaft. Ein weiteres Problem liegt in der noch zu lang anhaltenden Lichtabstrahlung der leuchtenden Moleküle (Emittermoleküle). So zeigen sich nach Anregung eines Großteils oder aller Emittermoleküle Sättigungseffekte und es kommt zu unerwünschten Energieverlusten.

In diesem Zusammenhang gelang nun Prof. Dr. Hartmut Yersin vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Regensburg ein wichtiger Durchbruch. Durch das von Yersin entwickelte Verfahren des „Singulett-Harvesting“ kann die Zeit der Lichtabstrahlung bzw. die Emissionslebensdauer der Emittermoleküle deutlich verringert und der Wirkungsgrad der OLEDs erheblich verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht dieses neue Verfahren die Verwendung von wesentlich preiswerteren Materialien als bisher.

Elektroluminiszenz als Grundlage von OLEDs

Die OLED-Technologie nutzt das Prinzip der Elektrolumineszenz. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form der Luminiszenz (Lichtausstrahlung), bei der eine Anordnung von dünnen Schichten durch das Anlegen einer elektrischen Spannung dazu gebracht wird, Licht zu emittieren bzw. abzugeben. Die Elektrolumineszenz in einer OLED basiert auf der Zusammenführung (Rekombination) zweier entgegengesetzter Ladungsträger (Elektronen und Defekt-Elektronen bzw. „Löcher“) unter Erzeugung eines angeregten Zustandes. Beide Ladungsträger wandern unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, d. h. nach Anlegen einer Spannung von einigen Volt, in Richtung der jeweiligen Gegenelektrode. Treffen die beiden Ladungen zwischen den Elektroden aufeinander, kommt es zur Rekombination. Hierbei wird ein nach außen ungeladenes Elektron-„Loch“-Paar, das sogenannte Exziton, gebildet, das schließlich unter der Beteiligung der Emittermoleküle über die Abstrahlung von Licht wieder in den Grundzustand übergeht.

Der Aufbau von OLEDs: Ein leuchtendes „Sandwich“

OLEDs sind dafür wie ein „Sandwich“ aufgebaut. Sie bestehen aus mehreren, extrem dünnen Schichten. Eine davon, die Kathode, injiziert Elektronen. Eine andere, die Anode, entfernt Elektronen, so dass „Löcher“ entstehen. Elektronen und Löcher können sich frei bewegen und treffen in einer dünnen Schicht zwischen Kathode und Anode zusammen. Diese Schicht enthält die wichtigen Farbstoffmoleküle. Hier wird die Energie in Form eines Photons freigesetzt und Licht emittiert. Wenn ein Elektron und ein Loch in der Farbstoffschicht zusammentreffen, gibt es dabei – aufgrund des Eigendrehimpulses bzw. des Spins der Elektronen – vier denkbare, sogenannte Spinkombinationen. Eine davon bildet ein so genanntes Singulett, die drei anderen führen zu Tripletts. Entsprechend werden auch Emittermaterialien, die in OLEDs eingesetzt werden, als Singulett- bzw. Triplett-Emitter bezeichnet.

Unterschiedliche Effizienz der OLED-Emitter

Aufgrund der möglichen Spinkombinationen werden die Singulett- und Triplett-Zustände im Verhältnis 1:3 gebildet. Daraus ergibt sich, dass Singulett-Emitter nur etwa 25 % der erzeugten Exzitonen ausnutzen können. Die dabei erzeugte Emission, die sogenannte Fluoreszenz, wird zudem in sehr kurzer Zeit abgestrahlt. Dagegen können bei einer Triplett-Emission, die als langlebige Phosphoreszenz auftritt, sämtliche Exzitonen ausgenutzt, umgewandelt und als Licht emittiert werden („Triplett-Harvesting“). Denn der große Vorteil von phosphoreszierenden Emittern besteht auch darin, dass sowohl der Singulett-Zustand als auch die drei möglichen Triplett-Zustände eines Exzitons für die Emission genutzt werden können. Daher sind phosphoreszierende Triplett-Emitter im Allgemeinen besser geeignet, in OLEDs für eine hohe Lichtausbeute zu sorgen. Ein Nachteil ist allerdings dadurch gegeben, dass bei der Phosphoreszenz Sättigungseffekte auftreten können. Damit wird der Wirkungsgrad deutlich reduziert, und zwar besonders bei Beleuchtungssystemen mit hohen Helligkeitsanforderungen.

Vorteile gewinnbringend kombinieren: Das „Singulett-Harvesting“

Das von Prof. Yersin entwickelte Verfahren ermöglicht durch die Ausnutzung eines besonderen Effektes eine drastische Verkürzung der Emissionslebensdauer der Emittermoleküle, wobei die hohe Effizienz, die mit dem „Triplett-Har¬ves¬ting“ verbunden ist, ebenfalls voll erreicht werden kann. Es handelt sich um das neue „Singulett-Harvesting-Verfahren“. Hierbei werden die jeweiligen Vorteile der Emission aus dem Singulett-Zustand und dem Triplett-Zustandes verknüpft. Durch Verwendung von sehr preiswerten Metall-Komplexen, die kleine Singulett-Triplett-Energieabstände aufweisen, kann eine überaus effiziente thermische Rückbesetzung aus dem zunächst sehr effektiv besetzten Triplett-Zustand in den Singulett-Zustand erfolgen. Die Vorteile von Tripletts (Effizienz) und von Singuletts (Kurzlebigkeit der Emission) werden so gewinnbringend kombiniert.

Auf der Grundlage des „Singulett-Harvesting-Effekts“ sind bereits mehrere Patente entstanden. Das neue Verfahren wird künftig in der OLED-Entwicklung eine wichtige Rolle spielen. Die Ergebnisse sind darüber hinaus vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift „Coordination Chemistry Review“ erschienen (DOI: 10.1016/j.ccr.2011.01.042)

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Hartmut Yersin
Universität Regensburg
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Tel.: 0941 943-4464
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