Forscher der Universitäten Bonn und Regensburg haben einen neuartigen Typus organischer Leuchtdioden (OLEDs) entwickelt. Die Mini-Lämpchen eignen sich für den Bau besonders energiesparender und kostengünstiger Bildschirme. Diese könnten etwa in Smartphones, Tablet-PCs oder TV-Geräten zum Einsatz kommen. Auch Anwendungen wie leuchtende Fliesen für Küche oder Bad sind denkbar. Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse nun in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ vorgestellt (DOI: 10.1002/anie.201307601).

OLEDs kommen schon heute in den Displays von Smartphones oder Digitalkameras zum Einsatz. Sie ermöglichen ein besonders brillantes, kontrastreiches Bild, haben aber einen entscheidenden Nachteil: Sie können normalerweise nur ein Viertel der eingesetzten elektrischen Energie in Licht umwandeln. Diese Ausbeute lässt sich zwar erhöhen, indem man das Display mit kleinen Mengen Platin oder Iridium „verunreinigt“. Diese Elemente sind aber selten und teuer. Die Herstellung hochwertiger OLED-Displays war daher bislang eine relativ kostspielige Angelegenheit.

Das könnte sich in Zukunft ändern. Die Wissenschaftler aus Bonn, Regensburg und den USA haben nämlich einen neuen Typus von OLEDs hergestellt, der auch ohne Edelmetalle das Potenzial für hohe Lichtausbeuten aufweist. Damit könnten OLED-Bildschirme bald deutlich kostengünstiger werden.

OLEDs sind gar nicht organisch

OLEDs heißen so, weil sie in ihrer Reinform aus organischen Molekülen bestehen – das bedeutet, sie sind nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut. Das Funktionsprinzip einer organischen Leuchtdiode ist einfach: Ein dünner Film der Moleküle wird mit zwei Elektroden verbunden. Diese werden an eine Batterie angeschlossen, so dass ein elektrischer Strom aus positiven und negativen Ladungen fließt. Treffen diese Ladungen aufeinander, so vernichten sie sich in einem Lichtblitz.

Da positive und negative Ladungen sich anziehen, sollte die Lichterzeugung im Prinzip auch sehr effizient klappen. Doch besitzen elektrische Ladungen zusätzlich ein magnetisches Moment – Wissenschaftler sprechen vom „Spin“. Ladungen mit gleichem Spin stoßen sich ab, ähnlich wie die Nordpole zweier Magneten. Diese Abstoßung überwiegt sogar die Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen. Haben unterschiedliche Ladungen denselben Spin, gibt es also keinen Lichtblitz. Stattdessen wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt.

In normalen OLEDs ist das leider sehr häufig der Fall: Drei Viertel aller Ladungen tragen denselben Spin. Sie zeigen quasi wie Kompassnadeln in dieselbe Richtung und können sich nicht berühren. Entsprechend gering ist die Lichtausbeute. Die OLED-Hersteller haben aber einen Trick ersonnen, um diese Ausbeute zu erhöhen: Sie wirbeln die Kompassnadeln mit einem noch stärkeren Magneten durcheinander. Dazu nutzen sie schwere Metalle wie Platin oder Iridium. Auf diese Weise ist es möglich, nahezu die gesamte elektrische Energie zur Erzeugung von Licht zu verwenden. Allerdings heißt das auch: Streng genommen sind die Materialien in OLEDs gar keine organischen Verbindungen, sondern metallorganische.

Spontaner Richtungswechsel

„Wir erhöhen die Ausbeute dagegen mit einem ganz anderen Mechanismus“, erklärt Dr. John Lupton, Physik-Professor an der Universität Regensburg. „Ladungen können die Richtung ihres Spins nämlich spontan ändern. Dazu muss man nur lange genug warten.“ Das Problem dabei: Herkömmliche OLEDs können die elektrische Energie nicht lange genug speichern, um diese Wartezeit zu überbrücken. Stattdessen wandeln sie die Energie einfach in Wärme um.

„Die von uns konstruierten OLEDs können elektrische Energie augenscheinlich deutlich länger speichern“, sagt der Chemiker Professor Dr. Sigurd Höger von der Universität Bonn. „Sie können daher die spontanen Sprünge der Spins nutzen, um Licht zu erzeugen – zumindest vermuten wir das.“ Die neuartigen Stoffe bergen daher das Potenzial, in OLEDs auch ohne „metallorganische Tricks“ kaum Abwärme zu erzeugen und somit die eingesetzte elektrische Energie sehr effizient in Licht umzuwandeln.

Die Arbeit wurde von der Volkswagen-Stiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Kooperationspartner waren die University of Utah und das renommierte Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.).

Publikation: Metal-free OLED triplet emitters by side-stepping Kasha’s rule; D. Chaudhuri, E. Sigmund, A. Meyer, L. Röck, P. Klemm, S. Lautenschlager, A. Schmid, S. R. Yost, T. Van Voorhis, S. Bange, S. Höger und J. M. Lupton; Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201307601)