Kombination von Experiment und Simulation (CTDyn

3.3 Dynamik von Ladungstransferzuständen in organischen Halbleiterbauelementen: Kombination von Experiment und Simulation (CTDyn)

In diesem schweizerisch-deutschen Projekt werden die Ladungstransferzustände (CT-Exzitonen), die eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die weitere Verbesserung der Effizienz von organischen elektronischen Bauelementen wie OLEDs und organischen Solarzellen spielen, untersucht. Unser Ansatz kombiniert optische und elektronische Messungen mit numerischen Simulationen, wobei im Projekt die zugrunde liegenden physikalischen Modelle und numerischen Methoden verbessert werden sollen.

Mitwirkende: M. Regnat, S. Züfle, B. Ruhstaller Partner: Prof. W. Brütting, Universität Augsburg Finanzierung: SNF / Deutsche Forschungsgemeinschaft Dauer: 2020–2023

In diesem Projekt untersuchen wir die Dynamik von Exzitonen und das Zusammenspiel zwischen verschiedenen Exzitonenspezies sowie zwischen Exzitonen und Ladungsträgern, sowohl im Bulk einzelner Schichten (intra-molekular) als auch an Grenzflächen von mehrschichtigen organischen Halbleiterbauelementen (inter-molekular). Wir werden den etablierten 1D-Drift-Diffusions-Ansatz [1] erweitern und mit einem neuartigen 3D-Master-Gleichungsmodell [2] kombinieren sowie mit analytischen 0D-Formeln vergleichen. Abbildung 1 zeigt Exzitonen- und LadungstransferProzesse, die sowohl in organischen Leuchtdioden (OLEDs) als auch in organischen Solarzellen auftreten können.

Abb. 1: Allgemeine Exzitonen- und Ladungstransferprozesse. FC bezeichnet die freien Träger, S1 das Singlett und T1 das TriplettExziton und S0 den Grundzustand.

In einem ersten Teil dieses Projekts verwenden wir fortschrittliche Simulationen, um den Einfluss verschiedener Exzitonen-Auslöschprozesse, wie Triplett-Polaron-Auslöschung (TPQ) und TriplettTriplett-Annihilation (TTA), auf die Effizienz einer OLED mit verschiedenen Emitterkonzentrationen besser zu verstehen. Abbildung 2 zeigt die Daten der Lebensdauer der angeregten Zustände τ* (direkt proportional zur Effizienz der OLED) eines grün phosphoreszierenden OLED-Aufbaus mit einer Emitterkonzentration von 2 % und 16 %. Aus dem Fit der Daten mit analytischen 0D-Formeln ergibt sich, dass der zugrundeliegende Exzitonen-Auslöschungsmechanismus für die Reduzierung der Lebensdauer der angeregten Zustände bei steigenden Stromdichten entweder TPQ oder TTA ist.

Abb. 2: Lebensdauer angeregter Zustände für steigende Stromdichten einer OLED mit einer Emitterkonzentration von 2 % (links) und 16 % (rechts). Der Fit an die experimentellen Daten zeigt deutlich, dass die Abnahme für steigende Ströme für den Fall mit 2 % von TPQ besser beschrieben wird, während für 16 % von TTA.

Mit der Kombination aus 3D-Mastergleichung und 1D-Drift-Diffusions-Ansatz sollte es möglich sein, ein elektro-optisches Modell aufzustellen, das beide Fälle mit einem Parametersatz nachbilden kann und uns damit erlaubt, die Exzitonenprozesse in dieser OLED besser zu verstehen. Am Ende sollte es möglich sein, die Emitterkonzentration für die höchste Effizienz und die geringste Reduktion für steigende Stromdichten vorherzusagen.

Quellen:

[1] Simulation software Setfos, www.fluxim.com/setfos-intro (April 2021) [2] Zeder et al. „Coupled 3D Master Equation and 1D Drift-Diffusion Approach for Advanced OLED Modeling“. Journal of the Society for Information Display 28, Nr. 5 (2020): 440–49. https://doi.org/10.1002/jsid.903