Organische Leuchtdiode

Die leuchtende Zukunft

Von Manfred Lindinger
19.05.2009
, 17:52
Die neuen Dioden und im Hintergrund das sanfte Glimmen eines demnächst aus dem Verkehr gezogenen Vorgängers auf dem Feld der Beleuchtungstechnik
Dem Nachfolger der Glühbirne droht bereits jetzt Konkurrenz. Eine sparsame organische Leuchtdiode, entwickelt an der TU Dresden, erzeugt weißes Licht deutlich effizienter als Energiesparlampen.
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Nachdem die Tage der Glühbirne zumindest in Europa gezählt sind, könnte nun bald auch ihrem Nachfolger, der Energiesparlampe, ernste Konkurrenz drohen. Wissenschaftler des Instituts für Angewandte Photophysik der Technischen Universität Dresden haben eine organische Leuchtdiode entwickelt, die elektrische Energie äußerst effizient in weißes, warmes Licht umwandelt. Ihre Leistungseffizienz übertrifft erstmals deutlich die herkömmlicher Leuchtmittel.

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Dünne organische Schichten

Organische Leuchtdioden, sogenannte OLEDs, sind extrem dünne und sparsame Lichtquellen, die mittlerweile in allen Farben erstrahlen und ähnlich wie Glühbirnen weißes, angenehmes Licht erzeugen. Die Lichtquellen lassen sich in jeder Form und Größe herstellen, eignen sich für flache Displays, großflächige Lampen und für Leuchtreklame gleichermaßen. Sie werden wegen ihrer Vielseitigkeit auch von Künstlern und Beleuchtungsdesignern geschätzt. Während man einfarbige organische Leuchtdioden bereits für Anzeigen von Autoradios, Handys und Digitalkameras verwendet, haben die weißen Pendants den Sprung in die Anwendung noch nicht vollzogen.

Verbesserung an der Basis

Typisch für alle organischen Leuchtdioden ist ihr sandwichartiger Aufbau. Zwischen zwei großflächigen Elektroden sind dünne Lagen organischer Moleküle eingebettet. Als Trägermaterial dient meist Glas. Legt man eine Spannung an, wandern Elektronen und sogenannte Löcher, positive Ladungsträger, in die Mitte des Bauteils. Dort treffen sie auf eingelagerte Farbstoffmoleküle und regen diese zum Leuchten an. Bei welcher Wellenlänge die Leuchtdiode erstrahlt, hängt von der Art der Farbstoffe in der Emitterschicht ab. Sebastian Reineke und seine Kollegen haben für ihre etwa sieben Quadratmillimeter große Leuchtdiode metallorganische Komplexe verwendet, die blaues, grünes und rotes Phosphoreszenzlicht aussenden, was sich zu weißem Licht überlagert. Durch die geschickte Anordnung der organischen Moleküle - die blauen Farbstoffmoleküle sind von roten und grünen Farbstoffen umgeben - und die Vermeidung störender Prozesse bei der Lichtemission fallen die Energieverluste gering aus. Dadurch lässt sich die organische Leuchtdiode schon mit drei bis vier Volt betreiben.

Weniger Verluste

Die Forscher haben auch die Auskopplung der Photonen aus der Leuchtdiode entscheidend verbessern können. So verwenden sie als Trägermaterial ein Glas mit einem hohen Brechungsindex, dessen Oberfläche mit einer regelmäßigen Mikrostruktur versehen wurde. Damit ist es den Forschern bereits gelungen, 34 Prozent der in der Leuchtdiode erzeugten Photonen auszukoppeln, wobei eine Steigerung auf 50 Prozent möglich ist. Das ist ein großer Fortschritt gegenüber früheren Modellen, bei denen nur rund 20 Prozent der Photonen die Dioden verlassen. Der Rest geht im Inneren verloren.

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Überzeugende Leuchtkraft

Dank dieser Verbesserungen erreicht die neue organische Diode eine Leistungseffizienz von 90 Lumen pro Watt, womit sie doppelt so effizient ist wie frühere Modelle (“Nature“, Bd. 439, S. 234). Herkömmliche Glühbirnen erreichen dagegen nur 15 Lumen pro Watt, Energiesparlampen immerhin 50 Lumen pro Watt. Die organische Lichtquelle kann sogar mit den besten Leuchtstoffröhren in Reflektorgehäusen mithalten, die mit einer Effizienz von 70 Lumen pro Watt als Maßstab unter den Leuchtmitteln gelten. Was die Helligkeit betrifft, so erfüllt nach Aussagen von Reineke und seinen Kollegen die OLED mit 1000 Candela pro Quadratmeter die Anforderung für Beleuchtungen.

Gute Aussichten trotz schwächelndem Farbstoff

Trotz der Vorteile hat das Bauteil einen gravierenden Makel. Ihre Lebensdauer ist für eine Anwendung noch zu gering, was vor allem an der Instabilität des verwendeten blauen Farbstoffs liegt. Dieser zersetzt sich im Vergleich zu den grünen und roten Substanzen zu schnell. „Unsere Leuchtdiode arbeitet nur wenige Stunden stabil“, räumt Reineke ein. Allerdings sei eine möglichst lange Lebensdauer nicht das Ziel der Arbeiten gewesen. Marktfähige OLEDs sollten mindestens 10000 Stunden stabil arbeiten. Einige industriell gefertigte organische Dioden, deren Effizienz sich allerdings nicht mit den Ergebnissen aus Dresden messen lassen kann, erreichen dank stabiler blauer Farbstoffe schon solch lange Zeitspannen. „Als universitäre Forschergruppe haben wir nur selten Zugang zu besten und langlebigsten Materialien kommerzieller Hersteller“, beklagt Reineke. Wegen des Konkurrenzdrucks werden die Farbstoffe meist geheimgehalten. Der Forscher ist sich sicher, dass die Firmen die Ergebnisse aus Dresden zum Bau besserer Leuchtdioden nutzen werden, und rechnet, dass in spätestens fünf Jahren organische Leuchtdioden den Beleuchtungsmarkt erobern werden.

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Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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