Ljusemitterande elektrokemiska celler kan tillverkas i många olika färger. Foto: Shi Tang och Andreas Sandström/UmUDe elektrokemiska cellerna kan också tillverkas i många olika färger och på stora ytor.Hittills har dock effektiviteten varit för låg, det har till och med hävdats från forskarhåll att det är omöjligt att ta fram elektrokemiska celler som både är ljusstarka och effektiva.
Nature Communications
I en artikel i Nature Communications presenterar forskarna nu celler med en så hög ljusstyrka som 2 000 cd/m2, vilket motsvarar dagens OLED-belysningspaneler. Effektiviteten, det vill säga hur stor andel elektroner som blir till fotoner, ligger på 27,5 procent, vilket motsvarar effektiviteten i ett lysrör.De elektrokemiska cellerna är dessutom betydligt billigare att tillverka. De olika lager som krävs för att få en organisk lysdiod, OLED, att lysa skapas vid tillverkningen som måste ske i absolut ren miljö och perfekt vakuum. Medan lagren i de elektrokemiska cellerna bildas spontant så snart man lägger på en spänning, vilket betyder att de kan tryckas i en tryckpress i rumstemperatur.
Excitonerna krockar
Problemet forskarna har löst ser lite förenklat ut så här:
När en elektron som skickas in i det aktiva skiktet hittar ett hål (positiv laddning) så bildas en så kallad exciton. Excitonen flyter omkring en stund innan den avger sin energi i form av en foton. Krockar excitonen med någon annan laddning överför den sin energi dit istället och det bildas värme istället för ljus. Effekten blir låg. Det fenomenet kunde LiU-professor Martijn Kemerink och hans doktorand Stephan van Reenen, Avdelningen komplexa material och system, påvisa vetenskapligt för ett par år sedan.
Men tillsammans med forskargruppen vid Umeå universitet, ledd av professor Ludvig Edman, Institutionen för fysik, har de löst problemet.
De har hittat ett sätt att dopa materialet så att det bildas fällor där excitonerna fastnar och hindras från att flyta omkring. Dock innebär det också att elektron- och håltransporten in i det aktiva skiktet blir långsammare. Fällorna uppstår även i de skikt där man inte vill ha dem. Men med en väl avvägd kombination av antalet fällor, djupet på dem och koncentrationen av dopmaterialet har de lyckats neutralisera fällorna där de inte vill ha dem och fått dem att fungera bara i det ljusemitterande skiktet.
Ökad livslängd
Martijn Kemerink, professor, Komplexa material och system Foto: Monica Westman– Idéen kom från Ludvig Edman, och vi har sedan tillsammans genom experiment och simuleringar fått fram en kombination av material som fått effektiviteten i de elektrokemiska cellerna att öka fem gånger, säger Martijn Kemerink.
Dock kvarstår ett problem för forskarna, livslängden på en elektrokemisk cell är för kort, den ligger på runt en vecka. Forskning pågår för att lösa även det problemet.
– Med de prestanda vi fått fram, hög ljusstyrka, hög effektivitet, stora designmöjligheter och till en lägre kostnad borde den nya ljuskällan kunna bli en verklig konkurrent till dagens mest effektiva ljuskällor, säger Martijn Kemerink.
S. Tang, A. Sandström, P. Lundberg, T. Lanz, C. Larsen, S. van Reenen, M. Kemerink and L. Edman: Design rules for light-emitting electrochemical cells delivering bright luminance at 27.5 percent external quantum efficiency. Nature Communications 8. 1190 (2017). doi:10.1038/s41467-017-01339-0.
