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