Organische Leuchtdioden: Licht aus Molekülen - TU Dresden · Molekül mit ausgedehntem...
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Karl Leo
Institut für Angewandte Photophysik, TU Dresden, 01062 Dresden, www.iapp.de
Institut fürAngewandte Photophysik
Organische Leuchtdioden: Licht aus Molekülen
• Erzeugung von Licht: “warmes” und “kaltes” Licht
• Absorption und Emission von Molekülen
• Organische Halbleiter und Leuchtdioden
• Displays & Produkte
Karl Leo
Institut für Angewandte Photophysik, TU Dresden, 01062 Dresden, www.iapp.de
und
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungenund Systeme, Dresden
Institut fürAngewandte Photophysik
HTW Dresden, 14.6.2002
• Thermische Abstrahlung: Strahlendes System durch Temperaturbeschrieben- Feuer, Glühbirne- prinzipiell relativ ineffizient: Glühbirne ca. 5% der Leistung als Licht
Wie erzeugt man Licht: „Warmes Licht“
Spektrum
• Kaltes Licht: kein kontinuierliches, thermisches Spektrum: Nicht durchTemperatur beschrieben
- Chemilumineszenz (Glühwürmchen)
- Leuchtstoffröhren
- Leuchtdioden
Wie erzeugt man Licht: „Kaltes Licht“
Temperatur
Funktionsprinzip von Leuchtdioden
CB
VB
EFe
EFh
Metal
• Elektrische Leistung in Form von Elektronen und Löchern mit Potentialdifferenz Efe und EFh
• Dadurch nichtthermische Energieverteilung
• Im Idealfall keine Wärmeerzeugung
Licht
Metall
• Erzeugung von Licht: “warmes” und “kaltes” Licht
• Absorption und Emission von Molekülen
• Organische Halbleiter und Leuchtdioden
• Displays & Produkte
Gliederung
p lane of thesp 2-orb ita ls
pz-orb ita l π -bond
π -bond
σ -bond
pz-orb ita l
Moleküle mit konjugiertem π-Elektronensystem
Ausgangspunkt: Sp2-hybridisierter Kohlenstoff
Ebene der
sp2-Orbitale
pzpz
sp2 sp2
σ
σ∗
π
π∗
Orbitale:
Bildung eines delokalisierten Elektronensystems: Beispiel Benzol
Molekül „schwingt“ zwischen beiden Zuständen
• Ausgedehnter Elektronen“see“
• Starke Absorption
Optische Eigenschaften organischer Moleküle
• Moleküle absorbieren Licht: Elektronische Anregung• Angeregte Moleküle strahlen sehr effizient Licht aus:
Fluoreszenz
Versuche: Lösungen; Textmarker
Folie: Energie Diagramm
• Erzeugung von Licht: “warmes” und “kaltes” Licht
• Absorption und Emission von Molekülen
• Organische Halbleiter und Leuchtdioden
• Displays & Produkte
Gliederung
Organische Halbleiter
What is an organic semiconductor…..?
Why organic semiconductors…..?
SolarzellenMaterialien Organische LED
de loka lis ie rte π − Elektronen
pz
σ∗
sp2
6 x
18 x
LUMO (π*) => Leitungsband
HOMO (π) => Valenzband
• Leere Orbitale (lowest unoccupied orbitals)
• Lücke mit Photonenergie im Sichtbaren
• Gefüllte Orbitale (highest occupiedmolecular orbitals)
delocalizedπ-electrons
Analogie:Molekül mit ausgedehntem π-Elektronensystem ≈ Halbleiter
Delokalisierteπ - Elektronen
Source: IBM J. Res. Dev.
Beweglichlichkeit in organischen Halbleitern
Organische Halbleiter sind wohlbekannt: Manche Leute trinken sie freiwillig…..
350 400 450 500 550 600 650 7000,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,03,23,4
Abso
rptio
n
WellenlängeVersuch: Absorption
Organische Leuchtdioden (OLED)
OLEDs: Basic Principles
Struktur
Glas-Substrat
V
A
Transparente Anode
Emitterschicht
Kathode
Lichtemission
Energiediagramm
E
x
Kathode
LUMO
HOMO
Anode++ +
---
Organik Kompetenzzentrum Dresden Dresden
Institut fürAngewandte Photophysik
IAPP, TU Dresden (www.iapp.de)
• Grundlagenforschung an neuen Materialien und Bauelementen
Fraunhofer-IPMS Dresden (www.ipms.fraunhofer.de)
• Prozessentwicklung, Beschichtung
• Displaysysteme
Novaled GmbH (www.novaled.com)
• Hocheffiziente OLED
• Technologielizenzierung
• Steile Kennlinien
• Niedrige Spannung, geringeWärmeentwicklung
p n
Dotierte OLED
Klassische LED (e.g., GaAs/AlGaAs) Organische LED
CB
VB
EFe
EFh
Metal
• Flache Kennlinien
• Große Wärmeentwicklung
HTLETL
Folie: Halbleiter, Dotierung
Modellsystem für Dotierung: ZnPc:F4-TCNQ
Organischer Halbleiter:Zinc-Phthalocyanine (ZnPc)
Organisches DotiermolekülTetrafluoro-tetracyano-quinodimethane(F4-TCNQ)
Institut fürAngewandte Photophysik
e-
Undotiertes ZnPc:
≈10-10 Siemens/cm
10-3 10-2 10-110-4
10-3
10-2 ZnPc series 1 ZnPc series 2
T= 30°C
linear dependenceCon
duct
ivity
σ [S
/cm
]
Molar Doping Ratio F4-TCNQ : ZnPc
Dotierung erhöht Leitfähigkeit um viele Größenordnungen
Zwischenfrage: Kann Lucky Luke schneller ziehen als sein Schatten ?
Ideale OLED: pin-Heterostruktur
HOMO
LUMO
p i n
EF
+ + + + +
-----
+
Institut fürAngewandte Photophysik
Pin-Struktur OLED
Institut fürAngewandte Photophysik
2.6 2.8 3.0 3.210
100
1,000
10,000Lu
min
ance
(cd/
m2 )
Voltage (V)
1,000 cd/m2 @ 2.9V61.5 cd/A; 67 lm/W
100 cd/m2 @ 2.68V64 cd/A; 75 lm/W
Hocheffiziente grüne OLED
G. He et al., Appl. Phys. Lett., 2004
Effizienz von Leuchtdioden
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 20050
20
40
60
80
100
120
0
20
40
60
80
100
120
Rote Glühbirne
Glühbirne(weiß)
Leuchtstoffröhre
InGaNgreen
OLED
PLED
AlInGaP Red/Yellow
Leis
tung
seffi
zien
z (L
umen
pro
Wat
t)
Kalenderjahr
Beste OLED mit Dotierung
Anm: Photometrie
Institut für Angewandte PhotophysikTechnische Universität Dresden
Wie weit kann die Effizienz von OLED gesteigert werden ?
opticalrecombIexternal eUhb ηηνη ×××=
• bI: Elektron-Loch Balance: 1 erreichbar
• eU: Spannung sollten etwa Photonenergie entsprechen: erreicht
• ηrecomb: Rekombination: Fluoreszenz und Phosphoreszenz ausnutzen
• ηoptical: Optische Auskopplung: Im Moment verschenken wir 80% des Lichts!
Versuch: Wellenleiter
• Erzeugung von Licht: “warmes” und “kaltes” Licht
• Absorption und Emission von Molekülen
• Organische Halbleiter und Leuchtdioden
• Displays & Produkte
Gliederung
Das ultradünne Fernsehgerät wird Realität!
Extrem geringer Materialverbrauch: 100.000 Bildschirme/kg Farbstoff !
Einige OLED-Produkte auf dem Markt
Car Audio Pioneer
Car Audio TDK
Phone SNMD
RGB PM
Passiv Matrix
Aktiv Matrix
Sanyo-Kodak
Source: DisplaySearch 2004
Weltmarkt Flachdisplays
• Dominiert durch Flüssigkristalle (LCD)
• 97% Asiatische Hersteller
0102030405060708090
100
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Year
Bill
ion
US$
2006: Total OLED Market 2 - 10% of LCD Markethigh growth rates: CAGR > 65%OLED market studies differ by a factor of 2-3
OLED market forecasts
Source: DFF
Die LCD-Display Lernkurve “Odawara’s law”
Anwendungen für Beleuchtung
Glocar (Ford)
Quelle: Philips Lighting 2004
Herausforderungen für die OLED Technologie:
• Effizienz:
5-10 lm/W erreichtZiel: 20-50lm/W (Displays); 50-100lm/W (Beleuchtung)
• Produktionskosten:
aktuell: LCD-Kosten x 2….3Ziel: LCD x 0,7
•Lebensdauer:
aktuell:50.000 Stunden @100Cd/m2@50% AbfallZiel: 50.000 Stunden @ 500 Cd/m2@10% (Anwendung: TV)Faktor 25!
Displays mit dotierten Transportschichten
Quellen: Novaled
Transparentes Display
Aus
An
IPMS, in cooperation with Optrex Europe and Novaled
• OLED and Displays have beenproduced successfully
• First lifetime data:12.000 h at 100Cd/m2
(extrapolated)
• Materials efficiency: >50%;expected TAC times <1min
Inline-set-up in Dresden
Inline-set-up in Dresden
Device Geometry of Solar Cell
LiF/Al contacts
ZnPc:C60
P-m-MTDATA
Indium-tin-oxide(ITO) substrate
PEDOT-PSS
n-MPP
Organische Solarzelle mit 3.6% Effizienz
-0.9 0.0 0.9
-20
0
20
40
133+/-3 mW/cm2
simulated AM 1.5
Tandemzelle: optimale Struktur mit 140 nm Spacer
Tandem:UOC= 0.99 VJSC= 10.4 mA/cm2
FF= 46.7 %η=3.5%
Einzelzelle:UOC= 0.51 VJSC= 16.7 mA/cm2
FF= 36.4 %η=2.3%
cu
rren
t den
sity
[mA
/cm
2 ]
voltage [V]
η=3.6%
OLED für Schilder
• Allen Mitarbeitern von IAPP, IPMS & Novaled
• Den Helfern heute
• SMWA, SMWK, BMBF, DFG… für die Förderung
Institut fürAngewandte Photophysik
Danksagung