Carben-Emitter in organischen Leuchtdioden

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Organische Leuchtdioden (engl.: organic light emitting diode, OLED) sind in den letzten Jahren Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Forschung. Das große Interesse, auch in der Industrie, an diesen innovativen Lichtquellen beruht auf ihrer einfachen und kostengünstigen Herstellung, ihrer Selbstemissionsfähigkeit und insbesondere ihrem niedrigen Energieverbrauch. Darüber hinaus ermöglichen die geringe Dicke der funktionellen organischen Schichten und die mechanische Flexibilität die Herstellung von transparenten und flexiblen OLEDs.

Die Synthese von neuen organischen Materialien ist dank der Vielzahl von möglichen Verbindungen keine Grenzen gesetzt. So werden täglich neue Substanzen mit unterschiedlichen Eigenschaften synthetisiert. In dieser Arbeit steht die Entwicklung und Untersuchung der neuen Iridium-Carben-Komplexe in Bezug auf ihren Einsatz in effizienten und langlebigen organischen Leuchtdioden im Vordergrund. Aus dieser Materialklasse lassen sich durch gezielte Modifikation der Struktur Triplettemitter mit unterschiedlichen Emissionsfarben herstellen, die den gesamten Farbraum abdecken. Von der BASF SE wurden diesbezüglich Emitterfarbstoffe hergestellt und zur Verfügung gestellt.
Im ersten Teil der Arbeit wurde ein orange-roter Carben-Komplex untersucht. Für die Effzienzoptimierung dieses Farbstoffs wurden unterschiedliche Matrizen und Transportmaterialien, sowie verschiedene Bauteilarchitekturen getestet. Mit dem Einsatz des dualen Emissionssystems (engl.: dual emitting layer) konnten die optischen und elektrischen Eigenschaften der OLEDs verbessert werden. Aufgrund der mit diesem Einsatz verbesserten Ladungsträgerbalance konnte eine Steigerung der Bauteillebensdauer um Faktor 15 bei einer Startleuchtdichte von 800 cd/cm² erzielt werden.
Carben-Komplexe, die in den blauen Spektralbereich emittieren, stellen, aufgrund der großen Photonenenergie und energetisch hohen Lage der Triplett-Zustände, zusätzliche Anforderungen an die Auswahl der Materialien und an die Schichtenfolge. Dafür wurden vom Industriepartner und vom Institut für Makromolekulare Chemie der Universität Bayreuth Materialien entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Materialien in Bezug auf ihre Stabilität im OLED-Aufbau untersucht, woraufhin ein Auswahl der potenziellen Substanzen vorgenommen werden kann.
Im zweiten Teil wurden Zweifarbweiß- und Dreifarbweiß-OLEDs auf der Basis der Carben-Farbstoffe optimiert. Dabei wurden verschiedene Bauteilarchitekturen untersucht. Die besten erzielten CIE-Koordinaten (Commission Internationale d’Eclairage, CIE) mit dem Zweifarbweiß-Aufbau lagen mit CIE-x = 0,27 und CIE-y = 0,29 nahe am weißen Bereich. Für den Beobachter wurde das emittierte Licht als kalt-weiß wahrgenommen. Die Lebensdauer dieses Aufbaus lag bei 40 Stunden bei einer Startleuchtdichte von 1000 cd/m². Um den optimalen Weißpunkt (CIE-x = 0,33 und CIE-y = 0,33) zu treffen wurde der kommerziell erhältliche grün-gelbe Farbstoff Ir(ppy)3 im optimierten Zweifarbweiß-Aufbau eingebaut. Die erzielten CIE-Koordinaten lagen bei CIE-x = 0,30 und CIE-y = 0,33. Neben der relativ langen Lebensdauer von 90 bzw. 800 Stunden bei einer Startleuchtdichte von 1000 cd/m² bzw. 300 cd/m² zeigte der optimierte Dreifarbweiß-Aufbau keine Veränderung des Emissionsspektrums bei unterschiedlichen Betriebsleuchtdichten und während der Degradation.