Органические светодиоды (OLED) в последнее время достигли значительного улучшения эффективности, однако до сих пор теряется большая часть излученного света, поскольку остается в устройстве как в ловушке, в результате чего внешний квантовый выход остается низким – всего 20-30%.
Поиск методов улучшения выхода света из устройства - outcoupling – очень важная задача. Одним из достижений в этой области сегодня является внешний квантовый выход зеленого светодиода 63%, которого ученые к тому же добились на гибкой подложке.
Чтобы достичь высокой эффективности власти в OLED, нужно выполнить три основных правила. Во-первых, произведение напряжения и заряда электрона должно быть низким - порядка энергии фотонов, и это требование уже почти выполнено: в настоящее время напряжение уже приближается к нижнему теоретическому пределу. Во-вторых, внутренняя квантовая эффективность OLED должна быть близка к 100%, то есть почти каждая пара электрон-дырка должна приводить к образованию фотона. Это условие можно эффективно выполнить, используя фосфоресцирующие молекулы в качестве эмиттеров. В-третьих, выход фотонов из слоя OLED должен быть очень эффективным, и вот тут-то и самая проблема.
Существуют три способа выхода фотонов из органических слоев. Они могут выделиться в окружающую среду и покинуть устройство через прозрачный анод (ITO) и подложку. Так, однако, поступают только 20-30% фотонов, образуемых в конусе излучения с пространственным углом около 40°. Большая часть фотонов выделяется либо оставаясь в подложке, либо оставаясь в ITO и органических слоях. Это может привести к обратному отражению фотонов к катоду.
К сожалению, фотонов, испускаемые под таким углом, не выходят через подложку, а захватываются в органическом слое как в волноводе. В результате большинство фотонов, которые идут этим путем, в конечно итоге захватываются катодом..
Однако и эти фотоны еще можно спасти. Существуют три различных способа для этого. Во-первых, можно просто использовать подложки с высоким показателем преломления: как органические слои, так и прозрачный анод имеют показатели преломления всего около 1,8-1,9. Недостатком этого подхода является то, что такие подложки с высоким показателем преломления (> 1,8), как правило, хрупкие, дорогие и ядовитые.
Второй способ улучшения выхода света, хотя и основан на элегантной концепции, имеет несколько существенных недостатков. Устанавливая частично отражающий контакт - полупрозрачный анод - OLED преобразуется в оптическую микрополость, выталкивая пучки фотонов вперед. По существу это эффект интерференции, эффективность которого зависит от длины волны, что делает его неэффективным для использования в белых светодиодах.
Третий подход заключается в структурировании активных слоев OLED таким образом, чтобы избежать эффекта волновода. Это требует структурирования тонких пленок с высоким разрешением, что является сложной задачей, важным моментом в решении которой является шероховатости подложки. Хотя этот метод ведет к улучшению выхода света из устройства, он обеспечивает лишь небольшое усовершенствование и, следовательно, неспособен достичь желаемого уровня эффективности, как с помощью других методов.
Недавно был предложен новый, четвертый, метод, который позволяет делать гибкие органические светодиоды без применения подложки с высоким показателем преломления. Ключевым моментом метода является замена прозрачного электрода ITO на многослойный анод, состоящий из тонкого полупрозрачного слоя золота, который служит проводящим электродом, заключенного между тонкопленочных слоев с высоким показателем преломления: оксида тантала (Ta2O5) на гибкой подложке из и дыркопроводящего слоя триоксида молибдена.
Используя этот метод, ученые получили очень высокую эффективность для устройств, излучающих зеленый свет. Было показано, что устройства, содержащие эти слои, демонстрируют двукратное увеличение внешней квантовой эффективности (до 40%) при яркости 10000 кд/м2. Внешняя квантовая эффективность и энергоэффективность могут быть улучшены до 60% и 126 лм/Вт. Наиболее высокими достигнутыми значениями являются 63% и 290 лм/Вт, что в 2,5 раза выше, чем у устройств с анодом из ITO. Таким образом, уже достигнуты значения эффективности, которые сопоставимы с таковыми для современных устройств, основанных на использловании стеклянных подложек с высоким показателем преломления.
Эта концепция, на самом деле, решает даже две ключевые проблемы для широкой реализации OLED: он позволяет значительно повысить эффективность выхода света благодаря простому тонкопленочному подходу, и позволяет избежать использования хрупких и дорогостоящих электродов из ITO, используемых в современных светодиодах. Кроме того, использование пластиковой подложки поможет достичь недорогого массового производства гибких органических светодиодов, которые можно сматывать в рулон.
Однако остаются некоторые сложные вопросы. Несмотря на то, что для дисплеев используются монохромные OLED, самый большой потенциал применения сегодня у светодиодов для освещения, то есть нужны белые светоизлучающие устройства. Кроме того, реализация этого подхода требует использованием золотой пленки.
Однако тем не менее, это достижение будет стимулировать исследования по этим вопросам.
