Organische Leuchtdioden: Licht aus Molekülen

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1 Organische Leuchtdioden: Licht aus Molekülen Karl Leo Institut für Angewandte Photophysik, TU Dresden, Dresden, Erzeugung von Licht: warmes und kaltes Licht Absorption und Emission von Molekülen Organische Halbleiter und Leuchtdioden Displays & Produkte Institut für Angewandte Photophysik

2 Karl Leo Institut für Angewandte Photophysik, TU Dresden, Dresden, und Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Dresden HTW Dresden, Institut für Angewandte Photophysik

3 Wie erzeugt man Licht: Warmes Licht Thermische Abstrahlung: Strahlendes System durch Temperatur beschrieben - Feuer, Glühbirne - prinzipiell relativ ineffizient: Glühbirne ca. 5% der Leistung als Licht Spektrum

4 Wie erzeugt man Licht: Kaltes Licht Kaltes Licht: kein kontinuierliches, thermisches Spektrum: Nicht durch Temperatur beschrieben - Chemilumineszenz (Glühwürmchen) - Leuchtstoffröhren - Leuchtdioden Temperatur

5 Funktionsprinzip von Leuchtdioden CB Licht E Fe Metall Elektrische Leistung in Form von Elektronen und Löchern mit Potentialdifferenz E fe und E Fh E Fh VB Dadurch nichtthermische Energieverteilung Im Idealfall keine Wärmeerzeugung

6 Gliederung Erzeugung von Licht: warmes und kaltes Licht Absorption und Emission von Molekülen Organische Halbleiter und Leuchtdioden Displays & Produkte

7 Moleküle mit konjugiertem π-elektronensystem Ausgangspunkt: Sp 2 -hybridisierter Kohlenstoff p z -orbital Ebene plane der of the sp 2 -orbitals sp 2 -Orbitale π -bond σ -bond p z -orbital π -bond σ p z π π p z Orbitale: sp 2 sp 2 σ

8 Bildung eines delokalisierten Elektronensystems: Beispiel Benzol Molekül schwingt zwischen beiden Zuständen Ausgedehnter Elektronen see Starke Absorption

9 Optische Eigenschaften organischer Moleküle Moleküle absorbieren Licht: Elektronische Anregung Angeregte Moleküle strahlen sehr effizient Licht aus: Fluoreszenz Versuche: Lösungen; Textmarker Folie: Energie Diagramm

10 Gliederung Erzeugung von Licht: warmes und kaltes Licht Absorption und Emission von Molekülen Organische Halbleiter und Leuchtdioden Displays & Produkte

11 Organische Halbleiter What is an organic semiconductor..? Why organic semiconductors..? Materialien Solarzellen Organische LED

12 Analogie: Molekül mit ausgedehntem π-elektronensystem Halbleiter delokalisierte Delokalisierte delocalized π Elektronen π -π-electrons Elektronen 6 x 18 x p z sp 2 σ LUMO (π*) => Leitungsband HOMO (π) => Valenzband Leere Orbitale (lowest unoccupied orbitals) Lücke mit Photonenergie im Sichtbaren Gefüllte Orbitale (highest occupied molecular orbitals)

13 Beweglichlichkeit in organischen Halbleitern Source: IBM J. Res. Dev.

14 Organische Halbleiter sind wohlbekannt: Manche Leute trinken sie freiwillig.. Versuch: Absorption Absorption 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wellenlänge

15 Organische Leuchtdioden (OLED) OLEDs: Basic Principles A V Kathode Emitterschicht E LUMO Kathode Transparente Anode Glas-Substrat Anode Lichtemission HOMO x Struktur Energiediagramm

16 Organik Kompetenzzentrum Dresden Dresden IAPP, TU Dresden ( Grundlagenforschung an neuen Materialien und Bauelementen Institut für Angewandte Photophysik Novaled GmbH ( Hocheffiziente OLED Technologielizenzierung Fraunhofer-IPMS Dresden ( Prozessentwicklung, Beschichtung Displaysysteme

17 Dotierte OLED Klassische LED (e.g., GaAs/AlGaAs) Organische LED CB E Fe Metal p n HTL ETL E Fh VB Steile Kennlinien Niedrige Spannung, geringe Wärmeentwicklung Flache Kennlinien Große Wärmeentwicklung Folie: Halbleiter, Dotierung

18 Modellsystem für Dotierung: ZnPc:F4-TCNQ Organischer Halbleiter: Zinc-Phthalocyanine (ZnPc) e - Organisches Dotiermolekül Tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane (F 4 -TCNQ) Institut für Angewandte Photophysik

19 Dotierung erhöht Leitfähigkeit um viele Größenordnungen Conductivity σ [S/cm] T= 30 C 10-2 ZnPc series 1 ZnPc series 2 linear dependence Molar Doping Ratio F 4 -TCNQ : ZnPc Undotiertes ZnPc: Siemens/cm

20 Zwischenfrage: Kann Lucky Luke schneller ziehen als sein Schatten?

21 Ideale OLED: pin-heterostruktur p i n LUMO E F HOMO Institut für Angewandte Photophysik

22 Pin-Struktur OLED Institut für Angewandte Photophysik

23 Hocheffiziente grüne OLED 10,000 Luminance (cd/m 2 ) 1, cd/m 2.68V 64 cd/a; 75 lm/w Voltage (V) 1,000 cd/m 2.9V 61.5 cd/a; 67 lm/w G. He et al., Appl. Phys. Lett., 2004

24 Effizienz von Leuchtdioden AlInGaP Red/Yellow Leistungseffizienz (Lumen pro Watt) Beste OLED mit Dotierung OLED InGaN green PLED Leuchtstoffröhre Glühbirne (weiß) Rote Glühbirne Kalenderjahr Anm: Photometrie

25 Wie weit kann die Effizienz von OLED gesteigert werden? hν η external = bi ηrecomb η eu optical b I : Elektron-Loch Balance: 1 erreichbar eu: Spannung sollten etwa Photonenergie entsprechen: erreicht η recomb : Rekombination: Fluoreszenz und Phosphoreszenz ausnutzen η optical : Optische Auskopplung: Im Moment verschenken wir 80% des Lichts! Versuch: Wellenleiter Institut für Angewandte Photophysik Technische Universität Dresden

26 Gliederung Erzeugung von Licht: warmes und kaltes Licht Absorption und Emission von Molekülen Organische Halbleiter und Leuchtdioden Displays & Produkte

27 Das ultradünne Fernsehgerät wird Realität! Extrem geringer Materialverbrauch: Bildschirme/kg Farbstoff!

28 Einige OLED-Produkte auf dem Markt Passiv Matrix Aktiv Matrix Phone SNMD RGB PM Sanyo-Kodak Car Audio Pioneer Car Audio TDK

29 Weltmarkt Flachdisplays Billion US$ Year Dominiert durch Flüssigkristalle (LCD) 97% Asiatische Hersteller Source: DisplaySearch 2004

30 OLED market forecasts 2006: Total OLED Market 2-10% of LCD Market high growth rates: CAGR > 65% OLED market studies differ by a factor of 2-3 Source: DFF

31 Die LCD-Display Lernkurve Odawara s law

32 Anwendungen für Beleuchtung Glocar (Ford) Quelle: Philips Lighting 2004

33 Herausforderungen für die OLED Technologie: Lebensdauer: aktuell: Abfall Ziel: Cd/m (Anwendung: TV) Faktor 25! Effizienz: 5-10 lm/w erreicht Ziel: 20-50lm/W (Displays); lm/W (Beleuchtung) Produktionskosten: aktuell: LCD-Kosten x 2.3 Ziel: LCD x 0,7

34 Quellen: Novaled Displays mit dotierten Transportschichten

35 Transparentes Display Aus An IPMS, in cooperation with Optrex Europe and Novaled

36 Inline-set-up in Dresden OLED and Displays have been produced successfully First lifetime data: h at 100Cd/m 2 (extrapolated) Materials efficiency: >50%; expected TAC times <1min

37 Inline-set-up in Dresden

38 Device Geometry of Solar Cell LiF/Al contacts n-mpp ZnPc:C 60 P-m-MTDATA PEDOT-PSS Indium-tin-oxide (ITO) substrate

39 Organische Solarzelle mit 3.6% Effizienz Tandemzelle: optimale Struktur mit 140 nm Spacer current density [ma/cm 2 ] Tandem: U OC = 0.99 V J SC = 10.4 ma/cm 2 FF= 46.7 % η=3.6% η=3.5% 133+/-3 mw/cm 2 simulated AM 1.5 Einzelzelle: U OC = 0.51 V J SC = 16.7 ma/cm 2 FF= 36.4 % η=2.3% voltage [V]

40 OLED für Schilder

41 Danksagung Allen Mitarbeitern von IAPP, IPMS & Novaled Den Helfern heute SMWA, SMWK, BMBF, DFG für die Förderung Institut für Angewandte Photophysik