Exciton-grænser er beregnet til at blive brudt:OLED overgår 100 procent exciton-produktionseffektivitet

Forskere ved Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) i Japan har demonstreret en måde at opdele energi i organiske lysdioder (OLED'er) og overskride grænsen på 100 procent for excitonproduktion, åbning af en lovende ny rute til at skabe billige og højintensive nær-infrarøde lyskilder til sanse- og kommunikationsapplikationer.

OLED'er bruger lag af kulstofholdige organiske molekyler til at omdanne elektriske ladninger til lys. I normale OLED'er, en positiv ladning og en negativ ladning samles på et molekyle og danner en energipakke kaldet en exciton. En exciton kan frigive sin energi for at skabe højst én foton.

Når alle ladninger danner excitoner, der udsender lys, der opnås en maksimal intern kvanteeffektivitet på 100 procent. Imidlertid, den nye teknologi bruger en proces kaldet singlet fission til at dele energien fra en exciton i to, gør det muligt at overskride grænsen på 100 procent for effektiviteten af ​​at konvertere ladningspar til excitoner, også kendt som exciton produktionseffektivitet

"Simpelt sagt, vi inkorporerede molekyler, der fungerer som ændringsmaskiner for excitoner i OLED'er. Svarende til en vekselmaskine, der konverterer en $10-seddel til to $5-sedler, molekylerne omdanner en dyr, højenergi exciton til to halv pris, lavenergi excitoner, " forklarer Hajime Nakanotani, lektor ved Kyushu University og medforfatter til papiret, der beskriver de nye resultater.

Excitoner kommer i to former, singletter og trillinger, og molekyler kan kun modtage singletter eller tripletter med bestemte energier. Forskerne overvandt grænsen på én exciton pr. et par ladninger ved at bruge molekyler, der kan acceptere en triplet-exciton med en energi, der er halvdelen af ​​energien af ​​molekylets singlet-exciton.

I sådanne molekyler, singletten kan overføre halvdelen af ​​sin energi til et nabomolekyle, mens den holder halvdelen af ​​energien for sig selv, resulterer i skabelsen af ​​to trillinger fra en singlet. Denne proces kaldes singlet fission.

Triplet-excitonerne overføres derefter til en anden type molekyle, der bruger energien til at udsende nær-infrarødt lys. I nærværende arbejde, forskerne var i stand til at konvertere ladningsparrene til 100,8 procent trillinger, indikerer, at 100 procent ikke længere er grænsen. Dette er den første rapport om en OLED, der bruger singlet fission, selvom det tidligere er blevet observeret i organiske solceller.

Desuden, forskerne kunne nemt vurdere singlet fission effektiviteten, hvilket ofte er svært at vurdere, baseret på sammenligning af den nær-infrarøde emission og spormængder af synlig emission fra resterende singletter, når enheden udsættes for forskellige magnetiske felter.

"Nær-infrarødt lys spiller en nøglerolle i biologiske og medicinske applikationer sammen med kommunikationsteknologier, " siger Chihaya Adachi, direktør for OPERA. "Nu hvor vi ved, at singlet fission kan bruges i en OLED, vi har en ny vej til potentielt at overvinde udfordringen med at skabe en effektiv nær-infrarød OLED, som ville finde øjeblikkelig praktisk brug."

Den samlede effektivitet er stadig relativt lav i dette tidlige arbejde, fordi nær-infrarød emission fra organiske emittere traditionelt er ineffektiv, og energieffektivitet vil, selvfølgelig, altid være begrænset til maksimalt 100 procent. Ikke desto mindre, denne nye metode tilbyder en måde at øge effektiviteten og intensiteten på uden at ændre emittermolekylet, og forskerne ser også på at forbedre selve emittermolekylerne.

Med yderligere forbedringer, forskerne håber at få excitonproduktionseffektiviteten op på 125 procent, hvilket ville være den næste grænse, da elektrisk drift naturligt fører til 25 procent singletter og 75 procent tripletter. Efter det, de overvejer ideer til at omdanne tripletter til singletter og muligvis nå en kvanteeffektivitet på 200 procent.