Defekte in organischen Halbleitern: Ladungen können durch Sauerstoff- oder Wassermoleküle gefangen werden.

Bild: Dr. Denis Andrienko, MPI-P

Defektfreie organische Halbleiter Wie man effiziente Materialien für OLED-Displays entwickelt

26.09.2019

Für Anwendungen wie Leuchtdioden oder Solarzellen stehen organische Materialien derzeit im Mittelpunkt. Ein großes Problem dabei: In vielen organischen Halbleitern wird der Stromfluss durch mikroskopische Defekte behindert. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung ist nun untersucht worden, wie organische Halbleiter gestaltet werden können, damit das nicht passiert.

Das Grundprinzip der ersten Glühbirne, die Thomas Edison im 19. Jahrhundert erfunden hat, war sehr einfach: Elektronen durchfließen einen Kohlefaden und erzeugen Licht, indem ihre Energie in Licht und Wärme umgewandelt wird. Die Physik der Lichterzeugung in Halbleitern ist heute komplexer: Elektronen durchfließen ein Bauteil und geben ihre Energie an einem bestimmten Punkt ab. Dazu müssen sie einen freien Platz auf einer tiefer liegenden Energieebene finden – das heißt einen Platz, der nicht von einem Elektron besetzt ist.

Dieser freie Platz kann als eine Art positive Ladung, ein sogenanntes Loch, angesehen werden. Springt das Elektron in das Loch, wird seine Energie in Form von Licht freigesetzt. Nach diesem Prinzip wandelt eine organische Leuchtdiode (OLED) elektrischen Strom in Licht um.

Leitfähigkeit von Elektronen und Löchern ist entscheidend

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, sodass sie nicht mehr zum Strom beitragen können, liegt ein Überschuss einer Ladungsart vor. Wenn beispielsweise Löcher gefangen werden, gibt es mehr Elektronen als Löcher; das heißt, nur ein Teil der Elektronen kann Licht erzeugen, und die Effizienz der 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 Dr. Gert-Jan Wetzelaer, Projektleiter im Arbeitskreis Molekulare Elektronik am MPI-P. In einem Halbleiter bewegen sich Elektronen auf einem höheren Energieniveau, während sich Löcher auf einem niedrigeren 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.

Defekte vollständig zu beseitigen ist schwierig

In Computersimulationen haben MPI-P-Wissenschaftler um Dr. Denis Andrienko 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 fingen durch Sauerstoff bedingte Defekte bei lochdominierten Halbleitern Elektronen ein, führt Andrienko weiter aus. „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.

Erste OLEDs mit defektfreier Leitfähigkeit

Auf Basis ihrer Untersuchungen 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. Aufbauend auf diesem Konzept wurden kürzlich die ersten OLEDs mit defektfreier elektrischer Leitfähigkeit realisiert.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

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