Lichtemittierende elektrochemische Zellen für recycelbare Beleuchtung

Mit lichtemittierenden elektrochemischen Zellen kann eine kostengünstige und einfach herzustellende Beleuchtungstechnologie hergestellt werden. Solche Zellen sind elektronische und ionische Dünnschichtgeräte, die Licht erzeugen, nachdem eine niedrige Spannung angelegt wurde. Forscher der Technischen Universität München (TUM) und der Universität Turin haben nun mithilfe umfangreicher Datenanalysen erstklassige elektrochemische Zellen aus Kupferkomplexen geschaffen, die blaues und weißes Licht emittieren.

Lichtemittierende elektrochemische Zellen (LECs) sind die einfachsten und kostengünstigsten Dünnschicht-Beleuchtungsvorrichtungen, die derzeit erhältlich sind. Sie bestehen aus einer einzigen aktiven Schicht. Sie werden beispielsweise als Elektrolumineszenzfarben und Aufkleber verwendet.

Die Wirkung der Elektrolumineszenz wurde erstmals 1905 nachgewiesen. Damals entdeckten zwei Wissenschaftler das Vorhandensein von Licht unter angelegter Spannung in verschiedenen Mineralien und Metallen und konnten die Intensität mit Spannung und Wärmeentwicklung in Beziehung setzen. Ihre Prototypen gelten als die ersten LEDs. „Die technische Nutzung des Effekts wurde jedoch erst später möglich, und während die bekannten Leuchtdioden oder LEDs Halbleiterbauelemente sind, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung Licht emittieren, betrachten wir die lichtemittierenden elektrochemischen Zellen oder LECs folgen einem anderen Prinzip“, erklärt Rubén D. Costa, Professor für Biogene Funktionsmaterialien an der TUM.

Übergang vom Labor zum realen Markt bisher schwierig

Die Forschungsgruppen von Professor Ruben D. Costa am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit und Professor Claudia Barolo von der Universität Turin haben nun einen ersten Ansatz zur Entwicklung von LEC-Emittern in sogenannten aktiven Schichten entwickelt. Basierend auf Kupfer(l)-Komplexen erzeugen diese LECs hervorragendes blaues und weißes Licht.

„Die Entwicklung von kostengünstigen Geräten, die weißes und blaues Licht emittieren, ist sehr erwünscht und birgt viele Vorteile. Der bisherige Mangel an blauen Emittern hat jedoch den Übergang vom Labor zum realen Markt behindert. Dementsprechend ist die Schaffung von blauen Emittern allgemein Meilenstein in der Dünnschichtbeleuchtung. Sobald blaue Geräte da sind, werden wir in der Lage sein, Geräte mit weißem Licht relativ einfach herzustellen“, sagt Professor Costa. Genau blaue Emitter sind den Forschungsgruppen nun gelungen.

Data Science als neuer Ansatz

Den Forschungsgruppen aus Straubing und Turin ist es gelungen, mithilfe von Data-Science-Tools einen statistischen Zusammenhang zwischen der Röntgenstruktur und den elektronischen Eigenschaften der Kupfer(l)-Komplexe Dimin- und Diphosphin-Liganden herzustellen. Gleichzeitig haben sie die strukturellen und elektronischen Parameter und ihre Wechselbeziehungen untersucht, um die Emissionsfarbe, Effizienz und Lumineszenz der Geräte zu bestimmen.

Nach umfangreicher Datenauswertung verschiedener bekannter Ansätze ist ein neues Design für blaue LECs entstanden, das im Vergleich zu Geräten mit herkömmlichen Emittern eine hervorragende Leistung bietet.

Weiße Hochleistungs-LECs mit Kupfer(l)-Komplexen

„Mit den neuen blauen Hochleistungs-LECs können kupfer(l)-basierte einschichtige weiße LECs mit hochwertigem weißem Licht und einem Farbwiedergabeindex von 90 realisiert werden“, sagt Professorin Claudia Barolo von der Universität Turin. Der Farbwiedergabeindex gibt an, wie natürlich Farben beleuchteter Objekte unter einer bestimmten Lichtquelle wirken und hat einen Maximalwert von 100, ein Wert von 90 ist also schon sehr gut.

Diese Arbeit zeigt einen neuen Weg auf, um das Design von Emittern und aktiven Schichten in der Dünnschichtbeleuchtung zu rationalisieren. „Wir sind davon überzeugt, dass unser analytisches Modell ein erster Schritt in Richtung fortgeschrittener Methoden des maschinellen Lernens für das Feindesign auch anderer Wirkstoffe ist“, sagt Professor Costa.