Forschung

Defektfreie OLEDs leuchten besser

26.09.2019 - Schon geringe Anzahl von Defekten im Halbleiter hat großen Einfluss auf Ladungstransport.

Für Anwendungen wie Leuchtdioden oder Solarzellen stehen heute organische Materialien im Mittelpunkt der Forschung. Diese organischen Moleküle könnten eine viel­versprechende Alternative zu den bisher verwendeten Halbleitern wie Silizium oder Germanium sein und werden in OLED-Displays eingesetzt. Ein großes Problem ist, dass in vielen organischen Halbleitern der Stromfluss durch mikroskopische Defekte behindert wird. Wissenschaftler um Gert-Jan Wetzelaer und Denis Andrienko vom Max-Planck-Institut für Polymer­forschung haben nun untersucht, wie organische Halbleiter so gestaltet werden können, dass die Leit­fähigkeit durch diese Defekte nicht beeinflusst wird. 
 

Die Effizienz eines solchen Bauteils hängt stark davon ab, wie gut Löcher und Elektronen geleitet werden können. Wenn entweder Elektronen oder Löcher durch Defekte eingefangen werden, so dass sie nicht mehr zum Strom beitragen können, liegt ein Überschuss einer Ladungsart vor. Wenn beispielsweise Löcher gefangen werden, gibt es mehr Elektronen als Löcher, dann kann nur ein Teil der Elektronen Licht erzeugen und die Effizienz des 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 Gert-Jan Wetzelaer von der Forschungs­gruppe Paul Blom. In einem Halbleiter bewegen sich Elektronen auf einem höheren Energieniveau, während sich Löcher auf einem tieferen 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 Wissenschaftler um Denis Andrienko von der Gruppe von Kurt Kremer 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. „Wir haben festgestellt, dass diese Cluster von Wasser­molekülen als Falle für Löcher fungieren können, was zu elektronen­dominierten organischen Halbleitern führt. Im Gegensatz dazu fangen durch Sauerstoff bedingte Defekte bei lochdominierten Halbleitern Elektronen ein. Als Ergebnis konnten wir zeigen, dass der hochunipolare Ladungs­transport für Löcher oder Elektronen von einer sehr geringen Anzahl von Defekten wie Wasser und Sauerstoff bestimmt wird.“ Leider hat sich die vollständige Beseitigung solcher Defekte als schwierig erwiesen.

Damit können die Mainzer Forscher 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.

MPI-P / DE
 

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