Änderung der Farbgebung in lichtemittierenden elektrochemischen Zellen durch hybride Bauelementkonzepte

Frohleiks, Julia GND

Lichtemittierende elektrochemische Zellen (LECs) sind aufgrund ihrer lösungsmittelbasierten Herstellung ein vielversprechendes Konzept besonders für die Verwendung als kosten-günstiger Lichtemitter in flexiblen und verformbaren Anwendungen, welche mit Hilfe von konventionellen Lichtemittern wie epitaktisch gewachsenen Leuchtdioden nur schwer realisiert werden können.
Das besondere Merkmal von LECs ist die Integration einer ionischen Komponente in die aktive leuchtende Schicht. Diese Integration ermöglicht einige Vorteile gegenüber der Klasse der organischen LEDs (OLEDs) wie beispielsweise die einfache Bauelementarchitektur oder den Einsatz luftstabiler Elektroden. Eine der größten Herausforderungen im Bereich der LECs ist die Realisierung von hellen und effizienten Emittermolekülen verschiedener Emissionsfarben.
Typischerweise wird die Emissionsfarbe der Moleküle durch eine chemische Veränderung der Moleküle erreicht, was allerdings ebenfalls Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Moleküle hat. Diese Arbeit befasst sich mit der Einstellung der Emissionsfarbe von LECs durch den Einsatz hybrider Bauelementkonzepte.

Als Basiskonzept der Arbeit dienen LECs mit dem gelb-leuchtenden ionischen Übergangs-metallkomplex (iTMC) [Ir(ppy)2(pbpy)][PF6] (Hppy = 2-phenylpyridin, pbpy = 6-phenyl-2,2’-bipyridin) als Lichtemitter, welcher aufgrund seiner hohen intrinsischen Stabilität als einer der leistungsfähigsten iTMCs gilt. Am Beispiel dieses Komplexes wird die technologische Herstellung der LECs eingeführt und das charakteristische, elektrooptische Verhalten der LEC vorgestellt.

Die Integration eines zusätzlichen Polymers auf der Anodenseite dieser LEC im Rahmen des ersten Hybrid-Bauelementkonzepts führte unerwartet zu einer starken Rotverschiebung des Emissionsspektrums im Vergleich zur Referenz-LEC. Die besondere Leistungsfähigkeit in Helligkeit, Effizienz und Langzeitstabilität der Referenz-LEC konnte dabei konserviert werden.
Die neue Bauelementklasse leuchtete mit einer Leuchtdichte von 650 cd m-2 und 0,3 % externer Quanteneffizienz bei einer Wellenlänge von ca. 645 nm und gehörte damit mit zu den leistungsfähigsten roten LECs. Als Ursprung der ungewöhnlichen roten Emission der Hybrid-LECs wurde dabei eine zusätzliche Emissionszone an der Grenzfläche zwischen Polymer und iTMC-Schicht ausgemacht.

Kolloidale Quantenpunkte (QDs) bieten aufgrund ihrer robusten, anorganischen Natur und variablen Einstellung der Emissionsfarbe durch die Materialzusammensetzung und Größe der Partikel eine interessante Alternative zur Farbeinstellung lösungsmittelbasierter Lichtemitter.
Im zweiten Hybridkonzept dieser Arbeit wurden blau leuchtende CdSeS/ZnS QDs als zusätz-liche Schicht in das Basiskonzept der iTMC-LEC so eingebunden, dass eine simultane Emis-sion beider Emissionskomponenten und somit eine weiße Emission erzielt werden konnte. Die QD-LECs erreichten im Mittel eine hohe Helligkeit von 650 cd m-2 (max. > 870 cd m-2) und eine hohe Qualität des Weißlichts (maximaler Farbwiedergabeindex von 80).

Der dritte wesentliche Schwerpunkt dieser Promotionsarbeit umfasste die Entwicklung eines Konzeptes, in dem durch den alleinigen Einsatz von anorganischen, Cd-freien QDs als Emitter in einer LEC Umgebung die Emissionsfarbe eingestellt werden kann. Am Beispiel von CuInS2/ZnS QDs wurden die für die Bauelementleistungsfähigkeit wesentliche Komponenten dieser Architektur identifiziert und die Leistungsfähigkeit optimiert. Abschließend wurde das Konzept auf ein weiteres Cd-freies Materialsystem übertragen, wobei vor allem Bauelemente auf Basis der grünen InP/ZnSeS/ZnS QDs eine vielversprechende Leistungsfähigkeit (maximale Leuchtdichte > 1000 cd m-2) zeigten.

The simple device architecture as well as the solution-based processing makes light-emitting electrochemical cells (LECs) a promising device concept for large-area flexible lighting solutions.
The unique feature of LECs is the presence of charged ionic species inside the emissive layer that facilitate charge injection. This feature enables several benefits compared to organic light-emitting diodes (OLEDs) such as the simple device architecture or the implementation of air-stable electrodes.
One of the key challenges in the field of LECs is the creation of at the same time efficient, bright, and long-term stable emitter materials of different colours. The emission colour of the molecules is typically changed by chemical modification of the emitter molecule itself, which in most cases results in reduced performance and stability. The focus of this work is laid on the development of hybrid device architectures to adjust the emission color of LECs.

LECs based on the yellow emitting ionic transition metal complex (iTMC) [Ir(ppy)2(pbpy)][PF6] (Hppy = 2-phenylpyridine, pbpy = 6-phenyl-2,2’-bipyridine) are considered as devices with the best performance so far due to the intrinsic stability provided by the chemical structure of the complex itself. LECs based on this complex serve as a basic concept in this work to introduce the fabrication processes of LECs as well as to define the characteristic electro-optical behavior of LECs.

The first introduced hybrid concept comprises an additional polymer close to the charge injecting anode of the conventional iTMC-LEC architecture. The integration of this layer results unexpectedly in a pronounced red-shift of the emission color compared to the reference LEC.
The striking performance in luminance, efficiency and lifetime of the reference LEC can be preserved in the hybrid device, resulting in luminance levels above 650 cd m-2 and 0.3 % external quantum efficiency (EQE) at emission wavelengths around 645 nm. The unconventional red emission is attributed to the formation of a red recombination zone directly at the polymer / iTMC layer interface.

Combining the stability of semiconducting materials with their solution-based properties, colloidal quantum dots (QDs) offer an alternative approach for solution-based light-emitting devices. Moreover, the QD emission colour is easily tunable over a broad spectral range by tailoring their size, shape, and composition. The second part of this work demonstrates the first white light-emitting hybrid QD-LEC device based on an iTMC LEC and CdSSe/ZnS core/shell QDs.
By the introduction of the minority-oriented active light-emitting layer stack, large-area white light emission with a high CRI of 80, high luminance levels above 850 cd m−2, and maximum EQE greater than 0.2 % is reached.

The last part of this work is focused on the development of fully solution-processed Cd-free QD-LECs that show luminance solely from the light-emitting QDs. CuInS2/ZnS (CIS/ZnS) QDs are incorporated into a matrix design with additional ionic species in the active layer. The ionic species for charge injection as well as the additional ZnO NC layer for electron injection and hole blocking are identified as key components for the performance of the introduced QD-LEC design.
The CIS-based QD-LEC shows promising performance with luminance level above 350 cd m−2 at 0.1 % EQE. In a final step, the concept is transferred to further Cd-free QD system. Especially QLECs based on green InP/ZnSeS/ZnS QDs show promising device performance with luminance levels above 1000 cd m−2.

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Frohleiks, J., 2020. Änderung der Farbgebung in lichtemittierenden elektrochemischen Zellen durch hybride Bauelementkonzepte. https://doi.org/10.17185/duepublico/71444
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