Minder verlies, meer licht
De belofte van goedkope massaproductie is een van de pluspuntenvan plastic elektronica. Maar plastic halfgeleiders hebben eengroot nadeel: het materiaal bevat verontreinigingen die de stroombeïnvloeden doordat ze ladingen wegvangen. Er is weinig bekend overde precieze aard van deze ladingsvallen, die het rendement vanplastic LEDs en zonnecellen vermindert.
Een studie van een onderzoeksteam van de RijksuniversiteitGroningen en Georgia Tech laat nu zien dat er een gemeenschappelijkmechanisme bestaat waardoor deze vallen ontstaan. Bovendien is ereen theoretisch model opgesteld dat laat zien hoe plastichalfgeleiders zonder ladingsvallen ontworpen kunnen worden. Deresultaten staan op 29 juli als voorpublicatie op de website vanhet tijdschrift Nature Materials.
Vastzitten in LED
Plastic halfgeleiders zijn gemaakt van op koolstof gebaseerde(organische) polymeren en zijn onder meer te gebruiken voor hetmaken van plastic LED-lampjes. In zo’n plastic LED worden via eenelektrische spanning elektronen geïnjecteerd in een moleculaireorbitaal (dat is de baan van een elektron) op een hoger dan normaalenergieniveau. Midden in de actieve laag van de LED gaan deelektronen van het hoge naar het normale energieniveau waarbijenergie vrijkomt in de vorm van fotonen (lichtdeeltjes). Hetenergiebereik tussen beide niveaus heet de ‘energiekloof’ enbepaalt de kleur van het uitgezonden licht.
De elektronen in de LED kunnen echter tijdens hun transport doorhet halfgeleidermateriaal ook vast komen te zitten in eenlandingsval, waardoor ze niet meer voor de productie van lichtkunnen zorgen. Bovendien neemt de elektronenstroom in het materiaalaf, waardoor het gebied waar elektronen worden omgezet in fotonenniet meer precies in het midden van de LED laag ligt.
“En daardoor neemt de lichtopbrengst van de LEDs af,” zegtHerman Nicolai, de eerste auteur van het artikel in NatureMaterials. Waar de ladingsvallen precies uit bestaan is nietexact bekend. Er is gesuggereerd dat ze ontstaan door knikken in depolymeerketens of onzuiverheden in het materiaal.
Minimale verontreinigingen
“Om dit raadsel op te lossen hebben we de eigenschappen vanladingsvallen in negen verschillende polymeren onderzocht.” Hieruitbleek dat de vallen in alle materialen een zelfde energieniveauhebben. “Theoretische berekeningen laten zien dat dit energieniveaukomt goed overeen met dat van een water-zuurstof complex. Zulkecomplexen zouden tijdens de productie van het halfgeleidermateriaalkunnen ontstaan, zelfs wanneer dat gebeurt onder een beschermendeatmosfeer.”
Nicolai maakte de halfgeleiderschakelingen zelf in eenstikstofatmosfeer. Maar zelfs dat kan niet voorkomen dat je eenverontreiniging met minimale hoeveelheden van het water-zuurstofcomplex krijgt.
Omdat de ladingsval in alle materialen ongeveer hetzelfdeenergieniveau heeft, is het nu mogelijk uit te rekenen welkeelektronenstroom je kunt verwachten in allerlei verschillendeorganische polymeren. En het geeft ook aan hoe plastichalfgeleiders zonder ladingsvallen ontworpen kunnen worden.
Niet meer vallen
“De energie van de vallen ligt in de energiekloof,” aldusNicolai. Die kloof is het verschil in energie tussen de buitensteschil waarin de elektronen normaal gesproken rondcirkelen en dehogere orbitaal waarin de elektronenstroom door het materiaal heengaat. Wanneer een elektron uit die stroom een ladingsval tegenkomt,zal het erin vallen, omdat het energieniveau in de val lager is.”Dus wanneer chemici een halfgeleidend polymeer kunnen makenwaarvan de energie van de ladingsval boven die van de hogereorbitaal ligt, dan kunnen elektronen er niet in vallen.” Want indat geval is het energieniveau in de val hoger dan dat van hetelektron.
De resultaten van het onderzoek zijn van belang voor zowelplastic LEDs als plastic zonnecellen. “In beide systemen wil jeniet dat de elektronenstroom door de vallen afnemen. Met onzeresultaten is het mogelijk efficiëntere ontwerpen te maken voor diesystemen.”
Het experimentele deel van het beschreven onderzoek isuitgevoerd in het Zernike Institute for Advanced Materials, eenonderzoeksinstituut van de faculteit Wiskunde enNatuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Hettheoretsiche werk om de oorsprong van de ladingsval teidentificeren is uitgevoerd aan de School of Chemistry andBiochemistry and Center for Organic Photonics and Electronics vanhet Georgia Institute of Technology in Atlanta (USA).
