Forschung & Entwicklung

Entwicklung effizienter Materialien für OLED-Displays

Ein Nachteil organischer Halbleiter, die in OLED-Displays verwendet werden, ist, dass ihr Stromfluss durch mikroskopische Defekte behindert wird. Wissenschaftler haben nun untersucht, wie organische Halbleiter gestaltet werden können, sodass die Leitfähigkeit durch diese Defekte nicht beeinflusst wird.

Die Effizienz eines organischen Leuchtdiode (OLED) hängt stark davon ab, wie gut Löcher und Elektronen geleitet werden können. Wenn entweder Elektronen oder Löcher durch Defekte eingefangen werden, sodass sie nicht mehr zum Strom beitragen können, liegt ein Überschuss einer Ladungsart vor und die Effizienz der OLED wird reduziert.

„In unseren neuesten Experimenten haben wir eine große Bandbreite an organischen Halbleitern untersucht und die wichtigsten Parameter herausgefunden, die für eine gleichmäßige und defektfreie Leitung von Löchern und Elektronen wichtig sind“, sagt Dr. Gert-Jan Wetzelaer vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung. In einem Halbleiter bewegen sich Elektronen auf einem höheren Energieniveau, während sich Löcher auf einem niedrigeren Energieniveau bewegen: Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Leitfähigkeit beider Ladungsarten stark von der Position dieser Energieniveaus abhängt. „Je nach Energie dieser Ebenen kann der Ladungstransport entweder von Elektronen oder Löchern dominiert werden oder sie tragen mit der richtigen Wahl der Energieniveaus gleichermaßen zum Ladungstransport bei“, sagt Wetzelaer.

In Computersimulationen haben die Wissenschaftler um Denis Andrienko die Herkunft dieser Ladungsfallen genauer untersucht: „In unseren Simulationen haben wir Cluster von Wassermolekülen im Halbleiter eingefügt, die sich in kleinen Taschen im Halbleiter ansammeln können“, erklärt Andrienko. Die Forscher haben festgestellt, dass diese Cluster von Wassermolekülen Fallen für Löcher sein können, was zu elektronendominierten organischen Halbleitern führt. Im Gegensatz dazu fangen durch Sauerstoff bedingte Defekte bei lochdominierten Halbleitern Elektronen ein. Die Forscher zeigten, dass der hochunipolare Ladungstransport für Löcher oder Elektronen von sehr wenigen Defekten wie Wasser und Sauerstoff bestimmt wird. Die vollständige Beseitigung solcher Defekte ist schwierig.

Damit können die Mainzer Wissenschaftler definieren, wie sie in Zukunft hocheffiziente organische Halbleiter gestalten können: Die unterschiedlichen Energieniveaus des Materials sollten in einem bestimmten Bereich liegen, was den Einfluss von Sauerstoff- und Wassermolekülen, die die Hauptursache für das Einfangen von Ladungen sind, stark reduziert. Basierend auf diesem Konzept wurden kürzlich die ersten hocheffizienten OLEDs mit defektfreier elektrischer Leitfähigkeit realisiert.

von mn

Originalveröffentlichungen:

[N. B. Kotadiya, A. Mondal , P. W. M. Blom, D. Andrienko, G.-J. A. H. Wetzelaer, A window to trap-free charge transport in organic semiconducting thin films, Nat. Mater. (2019), DOI: 10.1038/s41563-019-0473-6]

[N. B. Kotadiya, P. W. M. Blom, G.-J. A. H. Wetzelaer, Efficient and stable single-layer organic light-emitting diodes based on thermally activated delayed fluorescence, Nat. Photonics (2019), DOI: 10.1038/s41566-019-0488-1]

www.mpip-mainz.mpg.de

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