On the operation of light-emitting electrochemical cells

• We are in the midst of a technological revolution that permeates nearly all human activities; artificial light is one of the most visible contributors in this societal change. If more efficient, green, and versatile light sources can be developed, they might improve the life of millions of people around the world while causing minimal damage to our climate and environment. The unique operational mechanism of the light-emitting electrochemical cell (LEC) makes it an ideal fit for some unconventional and emerging uses of light, in for example medicine and security.By exploiting this operational mechanism, in which mobile ions enable electrochemical doping of a luminescent polymer, we have designed and fabricated new bilayer LEC architectures. The bilayer LEC features patterned light emission that is easily adjustable during fabrication, and that can be configured to suit new applications of light. Given the light-emitting nature of the LEC, it is somewhat surprising that the optical understanding of its operation is rather limited. To fill this knowledge gap, we investigate how the optical properties of the luminescent polymer respond to electrochemical doping. We find that the complex-refractive index spectrum in the active layer of an LEC, as a direct result of the doping, varies in both space and time. The thin-film structure of an LEC implies that computational predictions of its luminous output need to consider internal reflections and interference. Finally, we implement a doping dependent optical thin-film simulation model. It enables us to precisely replicate the experimental luminance and angle-dependent emission spectrum for a range of LECs with different thicknesses. Using the model we can also identify and quantify many of the different optical loss mechanisms in LECs, which has not previously been done. The insights that we have collected on the path towards our present model will be useful for computational determination of device parameters that are otherwise difficult to acquire.The improved understanding of the optical operation of LECs is important for the maturation of the technology, as it facilitates formulation of relevant and accurate research questions. Hopefully, our results will accelerate the development of the field, so that useful products based on this technology can become available in the not too distant future.

• Just nu pågår en teknologisk revolution som genomsyrar nära nog alla samhällsfunktioner, och där artificiellt ljus har en påfallande viktig roll. Nya ljuskällor, som är mer miljövänliga, effektiva och mångsidiga, skulle kunna förbättra livskvaliten för miljoner människor över hela världen, utan att för den skull skapa problem för vår miljö och vårt klimat. Den ljusemitterande elektrokemiska cellen (LEC) är en teknik som fungerar på ett unikt sätt. Det gör att den är lämplig för nya och okonventionella användningsområden av ljus, exempelvis inom medicin och säkerhetsprodukter.Vi har kunnat designa och tillverka en ny sorts dubbellagers-LEC genom att utnyttja den interna funktionen i en LEC. Den innebär att rörliga joner möjliggör elektrokemiska oxidations- och reduktionsprocesser (dopning) av en lysande polymer. En dubbellagers-LEC lyser i mönster som enkelt kan anpassas utefter önskemål, och skulle kunna användas i nya sorters ljusapplikationer. Med tanke på att en LEC är en lysande komponent är förståelsen för dess optik förvånansvärt begränsad. För att förbättra dessa kunskaper börjar vi med att undersöka hur den lysande polymerens optiska egenskaper förändras när den dopas. Vi finner att dess optiska egenskaper varierar i tid och rum i det aktiva skiktet i en LEC, som en direkt följd av dopningen. För att sedan med hjälp av de optiska egenskaperna kunna beräkna hur mängden ljus påverkas, måste vi också ta hänsyn till att ljus i tunna skikt kan reflekteras vid gränsytor och interagera med sig själv. Slutligen implementerar vi en dopningsberoende optisk beräkningsmodell för tunna skikt, och lyckas återskapa den experimentellt uppmätta luminansen och de vinkelberoende ljusspektrumen för en serie LECer med olika tjocklek. Utifrån modellen kan vi också identifiera och kvantifiera många av de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket inte gjorts tidigare. Vägen fram till den nuvarande modellen har bjudit oss på en rad insikter som gör att vi beräkningsmässigt kan uppskatta komponentegenskaper som annars skulle förbli okända, då de inte går att mäta med direkta metoder.Den förbättrade optiska förståelsen för LEC-tekniken är viktig för forskningen inom fältet. Våra resultat kan förhoppningsvis accelerera utvecklingen mot bra och användbara produkter, så att dessa blir tillgängliga inom en inte alltför avlägsen framtid.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Nanoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Nano-technology (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Annan fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Other Physics Topics (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Den kondenserade materiens fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Condensed Matter Physics (hsv//eng)

Nyckelord

Artificial Light

Organic Electronics

Light-emitting Electrochemical Cells

Electrochemical Doping

Thin-film Optical Model

Optical Modes

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)