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Organische Leuchtdioden (OLEDs)

Organische Leuchtdioden (OLED) werden heute bereits in Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Entscheidende Vorteile sind das hohe Kontrastverhältnis  und die diffuse Lichtemission. Ihre Bauweise ermöglicht viele neue Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung. Industrielle Anwendungen greifen derzeit auf thermische Aufdampfprozesse im Hochvakuum zurück. Die Herstellung mittels Flüssigprozessierung in Druck- und Beschichtungsprozessen verspricht hingegen eine kostengünstigere Produktion von OLEDs in der Zukunft.

Herausforderung Flüssigprozessierung

Während Aufdampfprozesse beliebig komplexe Bauteilarchitekturen ermöglichen, stellt bei der Flüssigprozessierung das Abscheiden von Folgeschichten ohne das Ablösen der zuvor abgeschiedenen Schichten durch die verwendeten Lösemittel eine große Herausforderung dar. Um die Injektion von Ladungsträgern in OLEDs zu verbessern haben wir zunächst flüssigprozessierte Loch- und Elektronen-Injektionsschichten aus Metalloxiden erforscht. Zur Lochinjektion kamen Molybdän-, Vanadium- oder Wolfram-Oxid zum Einsatz, die über Präkursoren abgeschieden wurden. Im Hinblick auf die Nutzung von PET-Substraten müssen dabei hohe Konversionstemperaturen vermieden werden, da PET bei Temperaturen jenseits von 120°C zu schmelzen droht An Wolfram(VI)Ethanolat konnte gezeigt werden, dass eine vollständige Konversion der Präkursoren gleichermaßen bei 25°C unter Schutzgasatmosphäre und unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Für die Elektroneninjektion wurde eine Schicht aus Zinkoxid genutzt, dessen Oberfläche mittels eines Materials mit hohem Dipolmoment weiter modifiziert wurde.

Tandem OLEDs

Komplexe Bauteilarchitekturen wie Tandem-OLEDs, die es ermöglichen bei gleichem Strom mehr Licht zu generieren als Einzel-OLEDs, wurden bisher ausschließlich mittels thermischer Verdampfung hergestellt. Für die monolithische, serielle Verschaltung zweier OLEDs zu einer Tandem-OLED ist ein Mittelkontakt, die sogenannte „Charge generation layer“ (CGL) von besonderer Bedeutung. Diese CGL besteht aus einer Kombination von zwei Schichten zur gleichzeitigen Löcher- und Elektroneninjektion in die beiden OLEDs. Zwischen die beiden Schichten wird zusätzlich eine Lösemittelbarriere aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat eingebracht. Die Integrität des Schichtstapels wurde mittels Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und Transmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) nachgewissen. Die so hergestellten Tandem-OLEDs weisen eine doppelt so hohe Stromeffizienz wie die Einzel-OLEDs auf, was die effiziente Ladungsträgergeneration in der CGL bestätigt. Weißlicht-emittierende Tandem-OLEDs wurden realisiert, indem die die Emitter der beiden OLEDs durch komplementäre, blau und orange emittierende, Halbleiter ersetzt wurden.

Druckbare Elektroden und mechanische Flexibilität

Die hohen Kosten für Indium, die erforderlichen hohen Prozesstemperaturen und seine Brüchigkeit lassen das oft verwendeten Indiumzinnoxid (ITO) ungeeignet zur späteren Herstellung von Elektroden für OLEDs in einem industriellen Rolle-zu-Rolle Verfahren erscheinen. ITO-freie Elektroden für OLEDs konnten wir mithilfe des leitfähigen transparenten Polymergemischs Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) realisieren. Die normalerweise opaque Rückelektrode aus Metall wurde in gleicher Weise durch PEDOT:PSS ersetzt und die Leitfähigkeit durch Silbernanodrähte weiter gesteigert. Diese Elektroden zeigen im sichtbaren Wellenlängenbereich eine Transmission von mehr als 80%. Sowohl mit einem gelben, als auch mit einem blauen Emitter konnten wir mit dieser Bauelementarchitektur Wirkungsgrade erzielen, die vergleichbar sind mit den Wirkungsgraden von OLEDs mit ITO- und Metallelektroden. Die OLEDs sind darüber hinaus transparent und eröffnen somit neue Anwendungen wie Fensterintegration.Die mechanische Flexibilität der OLEDs erlaubt es ferner, die Bauelemente in künftigen Rolle-zu-Rolle-Prozessen zu drucken.

Zum Weiterlesen:

  • M. Zhang et al., All-solution processed transparent organic light emitting diodes, Nanoscale, 2015, 7, 20009 - 20014, DOI: 10.1039/C5NR05820A.
  • S. Höfle et al., Charge Generation Layers for Solution Processed Tandem Organic Light Emitting Diodes with Regular Device Architecture, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 8132−8137, DOI: 10.1021/acsami.5b00883.
  • S. Höfle et al., Enhanced Electron Injection into Inverted Polymer Light-Emitting Diodes by Combined Solution-Processed Zinc Oxide/Polyethylenimine Interlayers, Adv. Mater., 2014, 26, 2750-2754, DOI: 10.1002/adma.201304666.
  • S. Höfle et al., Solution Processed, White Emitting Tandem Organic Light-Emitting Diodes with Inverted Device Architecture, Adv. Mater., 2014, 26, 5155-5159, DOI: 10.1002/adma.201400332.
  • S. Höfle et al., Molybdenum oxide anode buffer layers for solution processed, blue phosphorescent small molecule organic light emitting diodes, Organic Electronics, 2013, 14, 1820-1824, DOI: 10.1016/j.orgel.2013.04.017.
  • S. Höfle et al., Tungsten Oxide Buffer Layers Fabricated in an Inert Sol-Gel Process at Room-Temperature for Blue Organic Light-Emitting Diodes, Adv. Mater., 2013, 25, 4113-4116, DOI: 10.1002/adma.201301627.