Ultraeffektiva organiska lysdioder

En organisk lysdiod (OLED) utvecklad i Tyskland har potential att producera samma kvalitet av vitt ljus som glödlampor men med strömeffektivitet som är betydligt bättre än till och med lysrörsbelysning.

Vit belysning: Sådana organiska lysdioder kan vara framtiden för belysning, tack vare mycket höga verkningsgrader, som överträffar även lysrör.

Prototypen OLED skulle kunna dyka upp som en ultraeffektiv ljuskälla för skärmar och allmän belysning, säger Sebastian reineke , som ledde forskningen vid Institute for Applied Photophysics, i Dresden, Tyskland. Det långsiktiga målet är att tillverka enheten med hjälp av konventionell lågkostnad rulle-till-rulle-utskrift.

Under de senaste åren har många länder börjat se över att byta från glödlampor till kompaktlysrör eftersom de senare är så mycket mer energieffektiva. Det har också funnits ett stort intresse för att använda lysdioder (LED) för skärmar och allmän belysning, återigen på grund av de potentiella energibesparingarna de erbjuder.

Men med både lysrör och LED-belysning har kvaliteten på producerat vitt ljus alltid lämnat något övrigt att önska. Lysrör kan få människor att framstå som ohälsosamma eftersom mindre rött ljus sänds ut, medan de flesta vita lysdioder på marknaden idag har en blåaktig kvalitet, vilket gör att de verkar kalla.

Däremot kan OLED:er tillverkas av ett brett utbud av material, så att uppnå vitt ljus av god kvalitet är mindre utmanande, säger Reineke. Det har inte varit ljusets kvalitet som har svikit OLED:er utan snarare deras effektivitet. Fluorescerande belysning fungerar vanligtvis med cirka 60 till 70 lumen per watt, medan glödlampor fungerar med cirka 10 till 17 lumen per watt. Däremot, säger Reineke, var den bästa rapporterade strömeffektiviteten för en OLED hittills 44 lumen per watt.

I veckans nummer av tidningen Natur , Reineke och hans kollegor rapporterar en ny strukturell design för en OLED som uppvisar effektiviteter på 90 lumen per watt och visar potential att gå upp till 124 lumen per watt.

Dessa effektivitetsvinster är mycket övertygande, säger Peter Kazlas, chef för enhetsutveckling för QD Vision , ett företag baserat i Cambridge, MA, som utvecklar kvantpunktsbaserad LED-belysning.

OLED:er har potential att växa till en riktigt mycket energieffektiv ljuskälla, tillägger Kristin Knappstein, affärsutvecklingschef på Philips Lighting, i Aachen, Tyskland. Hennes företag har redan en OLED-belysningsprodukt på marknaden som heter Lumiblade . I produktionen når vi nivåer på mellan 15 och 20 lumen per watt, säger hon och tillägger att den ultimata potentialen är att tekniken når verkningsgrader så höga som 150 lumen per watt.

Reineke och hans kollegor kunde få så bra resultat på grund av flera designändringar och förbättringar av deras enhet. Den ena innebär att sänka driftspänningen genom att dopa det organiska materialet som förbinder det ljusavgivande materialet med dess metallkontakter. Anordningens effektivitet minskar kraftigt om den är nära en metallkontakt på grund av ett fenomen som kallas quenching, säger Reineke.

Ett annat knep var att göra de yttre ytorna på enheten av typer av glas som har optiska egenskaper som bättre matchar enhetens substrat. Annars reflekteras mycket av det utsända ljuset och antingen återabsorberas eller förloras genom värme. I konventionella strukturer försvinner cirka 80 procent av ljuset, säger Reineke.

Den mest nya aspekten av denna nya OLED är dock organisationen av olika ljusemitterande material i enheten. Tre material används – ett vardera för att avge blått, grönt och rött ljus – tillsammans med ett värdmatrismaterial däremellan. Reinekes knep var att välja ett matrismaterial med ett högt spinntillstånd som matchade det blåa och att lägga det blå materialet mellan det gröna och röda, som om det vore en del av det separerande värdmatrismaterialet.

Matrisen och det blå tillståndet är nästan identiska, säger Reineke. Detta innebär att alla elektron-hålspar (excitoner) som undkommer det röda eller gröna materialet måste passera genom det blå, vilket ökar chanserna att de kommer att omvandlas till fotoner.

De gör ett bra jobb med att skräddarsy LED-skikten för att få bra kvanteffektivitet, säger Kazlas. Det visar löftet om OLED, men ur ett industriperspektiv har OLED fortfarande en lång väg att gå.

En stor nackdel med OLED:er är faktiskt deras livslängd. Även om företag som Philips kan tillverka enheter med en livslängd som motsvarar lysrörslampor – över 10 000 timmar – tenderar material som ger högre effektivitet inte att hålla så länge. Våra enheter har en livslängd på bara några timmar, säger Reineke.

Dölj