Kostengünstige Blau- und Weißlicht-emittierende elektrochemische Zellen entwickelt
TUM | PM | 2022-05-09
Eine kostengünstige und einfach herzustellende Beleuchtungstechnik kann mit lichtemittierenden elektrochemischen Zellen erfolgen. Bei solchen Zellen handelt es sich um elektronische und ionische Dünnschichtbauteile, die nach Anlegen einer niedrigen Spannung Licht erzeugen. Forschende haben jetzt mit Hilfe einer umfangreichen Datenanalyse aus Kupfer-Komplexen erstklassige elektrochemische Zellen geschaffen, die blaues und weißes Licht emittieren.
Lichtemittierende elektrochemische Zellen, im Englischen auch light-emitting electrochemical cells (LEC) genannt, sind die einfachsten und kostengünstigsten Dünnschicht-Beleuchtungsvorrichtungen, die es bisher gibt. Sie bestehen aus einer einzigen aktiven Schicht. Anwendung finden sie beispielsweise für so genannte Elektrolumineszenzfarben und -aufkleber.
Prof. Dr. Rubén D. Costa (l.), Professor für Biogene Funktionswerkstoffe am TUMCS und Doktorandin Ginevra Giobbio (r.) im Labor an einem Glove-System. Foto: Jan Winter/TUM
Der Effekt der Elektrolumineszenz wurde bereits 1905 zum ersten Mal gezeigt. Zwei Wissenschaftler stellten damals das Vorhandensein von Licht unter angelegter Spannung in verschiedenen Mineralien und Metallen fest und waren in der Lage, die Intensität mit der Spannung und der Wärmeerzeugung zu korrelieren. Ihre Prototypen gelten als die ersten lichtemitierenden Dioden (LEDs). „Eine technische Nutzung des Effekts wurde aber erst später möglich. Besser bekannt als die von uns betrachteten LECs sind Leuchtdioden (LEDs) – Halbleiterbauelemente, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ebenfalls Licht emittieren. LECs folgen allerdings einem anderen Prinzip“, erklärt Rubén D. Costa, Professor für Biogene Funktionswerkstoffe an der TUM.
Übergang vom Labor zum realen Markt bisher schwierig
Die Forschungsgruppen von Prof. Rubén D. Costa am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit und Prof. Claudia Barolo an der Universität Turin haben nun den ersten Ansatz zur Entwicklung von LEC-Strahlern und so genannten aktiven Schichten entwickelt und damit hervorragende blaue und weiße LECs auf der Grundlage von Kupfer(I)-Komplexen geschaffen.
„Um günstige Bauelemente zu entwickeln, die weißes Licht abstrahlen, wird Blaulicht benötigt. Der bisherige Mangel an blauen Strahlern behinderte jedoch den Übergang vom Labor zum realen Markt. Die Erzeugung von blauen Strahlern ist demnach ein Meilenstein in der Dünnschichtbeleuchtung. Wenn blaue Bauelemente erst einmal da sind, können wir weiße Bauelemente relativ einfach herstellen“, sagt Prof. Costa.
Datenwissenschaft als neuer Ansatz
Und genau diese Erzeugung von blauen Strahlern ist den Forschungsgruppen nun gelungen. Die Forschungsgruppen aus Straubing und Turin haben erfolgreich Data-Science-Tools eingesetzt, um eine statistische Beziehung zwischen der Röntgenstruktur und den elektronischen Merkmalen von Kupfer(I)-Komplexen mit Dimin- und Diphosphinliganden herzustellen. Gleichzeitig haben sie die strukturellen und elektronischen Parameter und ihre Wechselbeziehungen zur Bestimmung der Emissionsfarbe, des Wirkungsgrads und der Lumineszenz der Bauelemente untersucht.
Nach umfangreichen Datenauswertungen verschiedener bekannter Ansätze ist ein neues Design für blaue LECs mit einer hervorragenden Leistung im Vergleich zu Geräten mit herkömmlichen Emittern entstanden.
Leistungsstarke weiße LECs mit Kupfer(I)-Komplexen
„Mit den neuen leistungsstarken blauen LECs können einschichtige weiße LECs auf Kupfer(I)-Basis mit einer hochwertigen weißen Farbe mit einem Farbwiedergabeindex von 90 realisiert werden“, sagt Prof. Claudia Barolo von der Universität Turin. Der Farbwiedergabeindex kann maximal einen Wert von 100 einnehmen. Er gibt an, wie natürlich Farben von beleuchteten Gegenständen bei einer bestimmten Lichtquelle wirken. Mit einem Wert von 90 ist er damit schon sehr gut.
Diese Arbeit zeigt einen neuen Weg auf, das Design von Emittern und aktiven Schichten in der Dünnschichtbeleuchtung zu rationalisieren. „Wir sind überzeugt davon, dass mit unserem Analysemodell ein erster Schritt in Richtung fortgeschrittener maschineller Lernmethoden für das Feindesign auch anderer aktiver Verbindungen getan ist“, erklärt Costa.
Publikationen:
Cavinato, L. M., Wölfl, S., Pöthig, A., Fresta, E., Garino, C., Fernandez-Cestau, J., Barolo, C., Costa, R. D., Multivariate Analysis Identifying [Cu(N^N)(P^P)]+ Design and Device Architecture Enables First-Class Blue and White Light-Emitting Electrochemical Cells. Adv. Mater. 2022, 2109228.