Physiker der Universität Potsdam entwickeln Dioden mit geringem Stromverbrauch

Polymer-Leuchtdioden mit Weltrekord-Effizienzen

Den Physikern Dr. Xiaohui Yang und Prof. Dr. Dieter Neher aus dem Institut für Physik der Universität Potsdam ist es gelungen, die Effizienz polymerer Leuchtdioden (PLEDs) signifikant zu steigern. Ziel der Arbeiten in Potsdam ist es, so genannte Einschicht-Leuchtdioden mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln, die für Anzeigesysteme und großflächige Beleuchtungsanwendungen verwendet werden können. Diese Entwicklung wird im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes in enger Kooperation mit Industrie- und Hochschulgruppen durchgeführt.

Ein viel versprechender Weg zu hocheffizienten PLEDs ist die Elektrophosphoreszenz. Dabei rekombinieren die durch die Leuchtdiode fließenden Elektronen und Löcher auf geeigneten Phosphoreszenzfarbstoffen. Quantenmechanische Überlegungen zeigen, dass bei Verwendung solcher Farbstoffe bei jeder Rekombination genau ein Photon emittiert werden kann.

Diese Farbstoffe neigen zur Kristallisation und Aggregation, so dass reine Farbstoffschichten nicht zum Aufbau der Leuchtdioden verwendet werden können. Mehrere Forschergruppen auf der Welt versuchen deshalb, diese Phosphoreszenzfarbstoffe in geeignete Polymermatrizen einzumischen. Anfang dieses Jahres haben Forscher in Japan, USA und Deutschland, darunter auch die Gruppe in Potsdam, gezeigt, dass mit diesem Konzept Polymer-Leuchtdioden mit Leistungseffizienzen von mehr als zwölf lm/W möglich sind.

Bei diesen Experimenten hat sich die Injektion der Ladungsträger als besonders problematisch herausgestellt. Da die Polymermatrix eine sehr hohe Bandlücke aufweisen muss, bildet sich eine hohe Barriere für den Übergang der Ladungsträger von den Elektroden in die aktive Schicht. Durch Optimierung der Kathode konnte in den letzten Jahren die Barriere für die Injektion der Elektronen aber deutlich herabgesetzt werden.

Den Physikern aus Potsdam ist es nun gelungen, die Injektion der Löcher durch gezielte Verbesserung der Zusammensetzung der aktiven Schicht entscheidend zu verbessern. Dazu wurden der Polymerschicht geeignete Moleküle beigemischt, die den Transport der Löcher zu den phosphoreszierenden Farbstoffen übernehmen. Auf diese Weise konnte die Leistungseffizienz auf Werte von bis zu 24 lm/W nahezu verdoppelt werden. Dies ist die höchste Effizienz, die jemals für Ein-Schicht Polymer-Leuchtdioden publiziert wurde.

Damit ist ein wichtiger Schritt hin zu hocheffizienten Leuchtdioden für großflächige Beleuchtungselemente und Anzeigesysteme gemacht. Weiterführende Arbeiten haben zum Ziel, die Leistungseffizienz der elektrophosphoreszierenden PLEDs durch Optimierung der Ladungsträgerinjektion weiter zu steigern. Letztendlich sollen mit einfachen Schichtstrukturen Effizienzen erreicht werden, die bisher nur mit komplizierten Mehrschichtaufbauten aus „kleinen Molekülen“ realisiert werden konnten.

Informationen sind auch in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ (Appl. Phys. Lett. 2004, Vol. 84, S. 2476-2478) veröffentlicht.