Lichterzeugung – Injektion und Rekombination

Wie bereits auf den Seiten zu Solarzellen beschrieben, können Exzitonen rekombinieren. Das heißt ein Elektron und ein Loch heben sich gegenseitig auf, wobei ihre Bindungs-Energie frei wird. In geeigneten organischen Materialien kann man erreichen, dass diese Energie in Form von Licht frei wird (und nicht als Wärme, wie das auch in Solarzellen als unerwünschter Nebeneffekt auftreten kann). Durch passende Materialwahl kann man so die Farbe des abgestrahlten Lichts einstellen.
Um die Effizienz einer OLED zu erhöhen, muss vermieden werden, dass Elektronen direkt zum Pluspol oder Löcher direkt zum Minuspol gelangen – in beiden Fällen hätten sie damit das Bauteil einfach durchquert, also Strom verbraucht ohne Licht abzustrahlen.
Die Herausforderung besteht demnach darin, dafür zu sorgen, dass Elektronen und Löcher genau dort aufeinander treffen, wo sich das Material befindet, das die gewünschte Farbe erzeugt, und nicht etwa an den Metallkontakten. Hierfür bringt man die fluoreszierende Farbstoffschicht zwischen zwei andere organische Schichten, eine Elektronen-Transportschicht und eine Löcher-Transportschicht. Die Elektronen-Transportschicht besteht aus einem n-dotierten Material, das besonders gut Elektronen leitet, während es eine Barriere für Löcher bildet. Die Löcher-Transportschicht ist das Gegenstück dazu, sie ist p-dotiert. Somit können Löcher vom Pluspol durch die Löcher-Transportschicht zum fluoreszierenden Farbstoff gelangen, und ebenso Elektronen vom Minuspol durch die Elektronen-Transportschicht. Im Farbstoff selbst sammeln sich dann alle Ladungsträger an. Sobald dort ein Elektron und ein Loch auf dasselbe Molekül gelangen, bildet sich ein Exziton, das durch Lumineszenz rekombinieren kann: Licht wird abgestrahlt und die OLED leuchtet.
Die OLED im Modell der Bälle und Ballons betrachtet zeigt wieder die Energielücke als trennende Zone und es wird anschaulich, wie Elektronen und Löcher jeweils zur zentralen Farbstoffschicht gelangen können ohne jedoch das Bauteil komplett durchqueren zu können.

Veranschaulichung der Funktionsweise einer organischen Leuchtdiode (OLED): Löcher werden von links in die Löcher-Transportschicht injiziert, indem man daran den Pluspol der Stromquelle anschließt. Durch die Löcher-Transportschicht können die Löcher in den Farbstoff fließen. Analoges gilt für Elektronen, die aus dem Minuspol der Stromquelle durch die Elektronen-Transportschicht in den Farbstoff fließen. Da sich Elektronen und Löcher anziehen, bilden sie Exzitonen, die rekombinieren und dabei Licht abstrahlen können. Danach sind die Moleküle wieder in ihrem ursprünglichen neutralen Zustand.

Die Farbe des abgestrahlten Lichts hängt von der Größe der Energielücke des Farbstoffs ab. Rot strahlende Farbstoffe haben die kleinste Energielücke und blau strahlende Farbstoffe die größte. Grün strahlende Farbstoffe liegen dazwischen. Die Größe der Energielücke hat aber auch einen Einfluss darauf, mit welcher elektrischen Spannung eine OLED betrieben werden muss. Wenn die Energielücke sehr groß ist, wird eine höhere Spannung benötigt, um einen elektrischen Stromfluss in der OLED zu erzeugen, der wiederum zur Lichterzeugung führt. Eine rote OLED benötigt daher eine geringere Betriebsspannung als eine grüne oder blaue OLED.

Wissensdurst: Weißlicht-Erzeugung


2012 by OES, Johannes Widmer