Efficiency Improvement of Organic Light-Emitting Diodes: Development of Novel Fabrication and Optical Evaluation Concepts

Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs) currently advance in the display market due to their unique image quality. Innovations profit from further extraordinary properties such as mechanical flexibility, optical transparency and large area coverage. Despite considerable progress in development, high costs and moderate efficiencies hamper the entry into the lighting market. However, there still is enormous potential for efficiency improvement. Current problems are the work-intensive search for best material combinations and large amounts of trapped light in the flat OLED geometry. This thesis develops novel concepts for improving the efficiency of OLEDs: An optimized fabrication, a systematic evaluation of light outcoupling structures by proposing a new metric, and an examination of efficiency limitations with optical simulations to identify options for action. The optimization of OLEDs is closely related to the properties of the individual molecules, while the fabrication process is often neglected. However, literature has shown that vapor deposited organic glasses can exhibit extraordinary high stabilities when fabricated at the right conditions. The substrate temperature is therefore set to 85 % of the materials conventional glass transition temperature Tg while the deposition rates are kept below < 0.1 nm/s. This concept is adapted and the glass forming molecule TPBi is fabricated as stable host and electron transporter in a simple OLED. Efficiency and lifetime improvement could be achieved with four different phosphorescent emitters. For Ir(ppy)2(acac) the External Quantum Efficiency (EQE) at 100 cd/m² is enhanced from 19.4 to 24.0 % and the lifetime LT 70 at 1,000 cd/m² from 14.8 to 74.2 h, i.e. the time in which the initial luminance drops to 70 % is five times higher. The origin is found in improved radiative and electrical efficiency. This fabrication concept enables an additional optimization path besides material development. Next, the high refractive index of organic materials lead to light confinement through total internal reflection. Many light outcoupling strategies have been developed, but their direct comparison is difficult through the diversity of used structures and OLEDs. This thesis proposes a new efficiency metric, the Efficiency of Light Outcoupling Structures (ELOS), that states the effectiveness of a light outcoupling structure. It weights experimental efficiency enhancement to theoretically maximal gain that is simulated. It was found that a glass half-sphere extracts about 80 % photons from the OLED substrate, while a combination of a diffraction grating with the half-sphere extracts at best 43 % from the whole OLED. The corresponding EQEs are 32.5 % and 36.5 %. The ELOS promotes a systematic search for a universally efficient light outcoupling structures, because it removes misinterpretation through the specifically used OLED. Lastly, optical investigations have found the following statements for bottom-emitting OLEDs: Highest EQEs with external light outcoupling structures are reached for 3/4 λ cavities. EQEs of more than 90 % could be reached with a low refractive index electron transport layer in combination with a high refractive index substrate and ideal external light outcoupling. For top-emitting OLEDs, the thin film interference can be exploited to shift the emission color of sky-blue emitter towards blue. Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) color coordinates of (0.127/0.168) could experimentally be achieved with an emitter that has (0.213/0.374). The color tuning reduces EQE, but therefore exploits higher lifetimes of sky-blue emitters. This opens an alternative to reach deep blue emission besides material development, which is a current challenge for displays.Organische Leuchtdioden (OLEDs) etablieren sich derzeit im Display-Markt aufgrund ihrer einzigartigen Bildqualität. Innovationen profitieren zudem von weiteren außergewöhnlichen Eigenschaften wie z.B. mechanische Flexibilität, optische Transparenz und Großflächigkeit. Obwohl es bereits beträchtliche Weiterentwicklungen gab, erschweren hohe Kosten und moderate Effizienzen den Markteintritt in den Beleuchtungssektor. Dabei gibt es noch enormes Potential für Effizienzsteigerungen. Derzeitige Probleme sind die aufwändige Suche nach den besten Material(-kombinationen) und große Verluste durch Licht, welches im flachen Bauteil verbleibt. In dieser Dissertation werden deshalb neuartige Konzepte entwickelt, um die Effizienzsteigerung voranzutreiben: Eine optimierte Herstellung, eine systematische Untersuchung von Lichtauskoppelstrukturen mittels einer neuen Metrik und die Untersuchung von Effizienzlimitierungen mithilfe von optischen Simulationen, um weitere Möglichkeiten zur Verbesserung zu identifizieren. Die Optimierung von OLEDs ist eng verbunden mit der Materialsuche, wobei der Herstellungsprozess oft vernachlässigt wird. Allerdings konnte in der Literatur gezeigt werden, dass aufgedampfte organische Gläser außergewöhnlich stabil sein können, wenn die Herstellungsbedingungen optimiert werden. Dafür muss die Substrattemperatur auf etwa 85 % der gewöhnlichen Glasübergangstemperatur Tg gesetzt werden, während das Material mit niedrigen Raten von < 0,1 nm/s aufgetragen wird. Dieses Konzept wird übernommen für das Glasformer Molekül TPBi, welches als stabile Matrix und Elektronentransporter in einer einfachen OLED realisiert wird. Damit wird eine Effizienz- und Lebensdauerverbessung für vier phosphoreszente Emittermoleküle erreicht. Für Ir(ppy)2(acac) wird die externe Quanteneffizienz (EQE) bei 100 cd/m² von 19,4 auf 24,0 % erhöht und die Lebensdauer LT 70 bei 1000 cd/m² von 14,8 auf 74,2 h, d.h. die Zeit, bis die ursprüngliche Helligkeit auf 70 % fällt, wird verfünffacht. Ursache dafür ist eine verbesserte elektrische Effizienz und Strahlungseffizienz. Diese Herstellungsoptimierung eröffnet neben der Materialsuche eine weitere Möglichkeit für OLED Verbesserungen. Weiterhin führt der hohe Brechungsindex organischer Materialien zu Lichteinschluss im Bauteil durch totale interne Reflexion. Um zusätzliches Licht zu extrahieren, wurden viele Lichtauskoppelstrukturen entwickelt, welche sich jedoch aufgrund der Vielfalt der Strukturen und OLEDs nur schwer vergleichen lassen. Diese Arbeit schlägt eine neue Effizienzgröße vor, die sogenannte Effizienz von Lichtauskoppelstrukturen (ELOS), welche die Effektivität von den Strukturen angibt. Sie vergleicht die experimentell bestimmte mit der maximal erwartbaren Verbesserung, welche mit optischen Simulationen berechnet wird. Damit konnte gezeigt werden, dass eine Glashalbkugel etwa 80 % aller Photonen vom OLED Substrat extrahiert, während eine Kombination von Streugittern mit Glashalbkugel bestenfalls 43 % der verbleibenden Photonen in der gesamten OLED extrahiert. Die jeweiligen EQEs sind 32,5 % und 36,5 %. Die ELOS fördert eine systematische Suche nach den universell am besten funktionierenden Lichtauskoppelstrukturen, weil Missinterpretationen durch die jeweilig verwendeten OLEDs verringert werden. Letztendlich haben die optischen Untersuchungen folgende Aussagen für bottom emittierenden OLEDs gefunden: Die höchste EQE mit externen Lichtauskoppelstrukturen werden mit 3/4 λ Kavitäten erreicht. EQEs von mehr als 90 % könnten erreicht werden durch Kombination von niedrigbrechenden Elektronentransportschichten, hochbrechenden Substraten und idealen Lichtauskoppelstrukturen. Für top emittierende OLEDs kann Dünnschichtinterferenz ausgenutzt werden, um die Farbe von himmelblauen Emittern zu tiefblau zu verschieben. CIE Farbkoordinaten von (0.127/0.168) konnten experimentell erreicht werden mit einem Emitter von (0.213/0.374). Die Farbverschiebung verringert zwar die EQE, allerdings kann so die höhere Lebensdauer von himmelblauen Emittern ausgenutzt werden. Damit wird eine Alternative zur Materialsuche geschaffen, um tiefblaue Farbe zu erreichen, was eine derzeitige Herausforderung für Displays ist