OLED-Simulation zur optischen Lichtauskopplung unter Verwendung der Transfermatrixmethode (TMM)
1. Einleitung
In diesem Tutorial simulieren Sie die optische Auskopplung in einer organischen Leuchtdiode (OLED) mithilfe der Transfermatrixmethode (TMM).
Im Gegensatz zu Simulationen von Solarzellen, bei denen Licht in das Bauelement eintritt und absorbiert wird, beginnen optische Simulationen von OLEDs mit Photonen, die innerhalb der emittierenden Schicht erzeugt werden. Anschließend berechnet ein Transfermatrix-Solver, wie sich diese Photonen durch die mehrschichtige Struktur ausbreiten, und ermittelt die Wahrscheinlichkeit, mit der sie das Bauelement verlassen und in den freien Raum gelangen.
OLEDs werden stark von optischer Interferenz beeinflusst, da die Dicke des Bauelements mit der optischen Wellenlänge vergleichbar ist. Das im Inneren des Bauelements emittierte Licht wird wiederholt an der metallischen Elektrode und den dielektrischen Grenzflächen reflektiert, wodurch stehende Wellenmuster und optische Resonanzeffekte entstehen.
Diese Hohlraumeffekte haben einen starken Einfluss auf das endgültige Emissionsspektrum, das räumliche Emissionsprofil, die Farbqualität und die optische Auskopplungseffizienz des OLED.
In realen Geräten entweichen nur wenige der intern erzeugten Photonen in den freien Raum. Viele Photonen werden in den verschiedenen Wellenleitermodi, Substratmodi oder Oberflächenplasmonmoden an der Metalloberfläche eingefangen. Das Verständnis und die Optimierung der optischen Auskopplung sind daher eine der wichtigsten Herausforderungen beim Design von OLEDs.
2. Erstellung der OLED-Simulation
Öffnen Sie das Fenster für die neue Simulation, das in ?? dargestellt ist. Wählen Sie die Kategorie „OLEDs“ aus.
Wählen Sie innerhalb der Kategorie „OLED“ das in ?? gezeigte OLED-(TMM)-Beispiel aus.
Speichern Sie die Simulation in einem geeigneten Verzeichnis auf der Festplatte. Nach dem Laden wird die Hauptoberfläche der Simulation angezeigt, wie in ?? dargestellt.
Das Beispiel zeigt eine vollständige, mehrschichtige OLED-Struktur, die eine transparente ITO-Kontaktfläche, eine Lochtransportschicht, eine emittierende Schicht, eine Elektronentransportschicht und eine metallische Kathode umfasst.
3. Untersuchung der OLED-Struktur
Öffnen Sie den Layer-Editor über die Werkzeugleiste auf der linken Seite. Der in ?? dargestellte mehrschichtige OLED-Aufbau wird angezeigt.
Das Gerät besteht aus einer transparenten ITO-Anode, einer NPD-Schicht zur Löchertransport (HTL), einer Alq3-Emissionsschicht (EML), einer TPBi-Schicht zur Elektronentransport (ETL), einer LiF-Grenzschicht und einer Aluminiumkathode.
Die Aluminiumkathode fungiert als hochreflektierender Spiegel und erzeugt so einen resonierenden optischen Hohlraum innerhalb des OLED. Das von der emittierenden Schicht ausgesandte Licht wird wiederholt in diesem Hohlraum reflektiert, wodurch die optische Feldverteilung und die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht aus dem Hohlraum austritt, stark verändert werden.
Da die optische Kavität die lokale Dichte der optischen Zustände verändert, kann die Dicke jeder einzelnen OLED-Schicht die Emissionsleistung und das Emissionsspektrum erheblich beeinflussen.
4. Öffnen des Moduls zur Berechnung der optischen Auskopplung
Öffnen Sie die Registerkarte „Optisch“, die in ?? angezeigt wird.
Klicken Sie auf die Schaltfläche „Optische Auskopplung“, um das Simulationsfenster für die OLED-Auskopplung zu öffnen.
Im Gegensatz zu optischen Simulationen von Solarzellen berechnen OLED-Auskopplungssimulationen die Ausbreitung von intern erzeugten Photonen und nicht von extern einfallendem Licht.
Der Solver für die Transfermatrix berechnet die optische elektrische Feldverteilung, die Resonanzen in der Kavität, die Wahrscheinlichkeit der Photonenemission und die wellenlängenabhängige Auskopplungseffizienz über die gesamte mehrschichtige OLED-Struktur hinweg.
5. Konfigurieren der Emissionsschicht
Öffnen Sie den Editor für optische Emission, der in ?? dargestellt ist.
Dieser Editor steuert die optischen Emissionseigenschaften der OLED-Schichten. In diesem Beispiel verwendet die Alq3-Emissionsschicht experimentell gemessene Emissionsspektren.
Der Solver für die Transfermatrix berechnet die Emission von Photonen aus der emittierenden Schicht und ermittelt anschließend, wie sich diese Photonen durch die mehrschichtige Struktur ausbreiten.
Die Einstellungen für die winkelabhängige Raytracing-Berechnung legen die Winkelauflösung fest, die bei der Berechnung der Photonenbewegung und der Wahrscheinlichkeit, dass Photonen das System verlassen, verwendet wird.
Da die OLED-Struktur die Winkelverteilung der emittierten Photonen stark verändert, ist eine präzise Winkelmessung wichtig, wenn die Auskopplungseffizienz berechnet wird.
6. Konfiguration des optischen Netzwerks
Öffnen Sie den in ?? gezeigten Editor für optische Netze.
Das Wellenlängenraster steuert den verwendeten spektralen Bereich und die Wellenlängenauflösung während der OLED-Auskopplungssimulation.
In diesem Beispiel erstreckt sich der Wellenlängenbereich über etwa 300–580 nm und deckt den Emissionsbereich des Alq3-Emissionsmaterials ab.
Eine höhere Wellenlängenauflösung verbessert die spektrale Genauigkeit, geht jedoch mit einem erhöhten Rechenaufwand einher.
7. Verteilung der Photonenanzahldichte
Führen Sie die Simulation zur optischen Auskopplung aus, indem Sie auf die Schaltfläche „Optische Simulation starten“ klicken.
Nach Abschluss der Simulation wird die in ?? dargestellte Karte der Photonenverteilung angezeigt.
Die horizontale Achse gibt die Position innerhalb des OLED an, während die vertikale Achse die Wellenlänge angibt.
Helle Bereiche entsprechen Wellenlängen und Positionen, an denen das optische elektrische Feld durch Resonanzeffekte in der Kavität verstärkt wird. In der gesamten OLED-Struktur lassen sich ausgeprägte stehende Wellenmuster beobachten, die auf wiederholte Reflexionen zwischen der metallischen Kathode und der transparenten Anode zurückzuführen sind.
Diese stehenden Wellenmuster haben einen starken Einfluss darauf, wo sich die Photonen innerhalb des Geräts ansammeln, und bestimmen, wie effizient die Photonen in den freien Raum entweichen.
8. Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon entkommt
Wenn Sie die Registerkarte „Escape-Wahrscheinlichkeit“ auswählen, wird die in ?? dargestellte Karte angezeigt, die die Wellenlängen- und Positionsabhängigkeit der Escape-Wahrscheinlichkeit zeigt.
In diesem Diagramm wird die Wahrscheinlichkeit dargestellt, mit der in der OLED erzeugte Photonen das Gerät verlassen und in den freien Raum gelangen.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon entkommt, hängt stark sowohl von der Wellenlänge als auch von der Position ab, da das OLED wie ein resonanter optischer Hohlraum wirkt.
Bei bestimmten Wellenlängen verstärkt die optische Resonanzkammer die Auskopplung, während bei anderen Wellenlängen Photonen in den Leit- oder Resonanzmoden eingeschlossen werden.
Die in ?? dargestellte, positionsgemittelte Auskopplungswahrscheinlichkeit zeigt, wie sich die Effizienz der Lichtauskopplung über das gesamte sichtbare Spektrum verändert.
9. Positionsabhängige Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Flucht
Die Registerkarte „Escape-Wahrscheinlichkeit (1D in y-Richtung)" erzeugt das räumlich aufgelöste Profil der Escape-Wahrscheinlichkeit, das in ?? dargestellt ist.
In diesem Diagramm wird dargestellt, wie effizient Photonen je nach ihrer Entstehungsposition innerhalb der OLED entweichen.
Die höchste Auskopplungseffizienz wird in der Nähe der optischen Feldmaxima des Hohlraummodus erreicht. Folglich beeinflusst die genaue Position der emittierenden Schicht innerhalb des OLED-Hohlraums die endgültige Effizienz des Bauelements maßgeblich.
Bei der praktischen Gestaltung von OLEDs werden die Dicke der emittierenden Schicht und die Position der Kavität häufig sorgfältig angepasst, um die maximale Überlappung mit dem optischen Kavitätsantiknoten zu erreichen.
10. Wahrscheinlichkeit der Entweichung und Energiebilanz des Geräts
Die Diagramme zur optischen Auskopplung können auch zusammen mit den Energieniveaus der OLEDs dargestellt werden, wie in ?? gezeigt.
Wenn man die Verteilung des optischen Feldes mit der elektronischen Struktur des Bauelements überlagert, erhält man wertvolle physikalische Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Ladungsträgerrekombination und optischer Auskopplung.
Im Idealfall sollte die Rekombination von Elektronen und Löchern in Bereichen stattfinden, in denen die Wahrscheinlichkeit der optischen Austrittswahrscheinlichkeit hoch ist. Wenn die Rekombination in Bereichen mit geringer Auskopplungseffizienz stattfindet, kann ein großer Teil der Photonen im OLED-Hohlraum eingeschlossen bleiben.
11. Eigene Lichtemission statt externer Beleuchtung.
Im Gegensatz zu Photovoltaiksimulationen benötigen optische OLED-Simulationen keine externe Beleuchtung. Stattdessen werden Photonen intern in der emittierenden Schicht erzeugt.
Der Solver für die Transfermatrix berechnet dann, wie sich diese intern erzeugten Photonen durch den optischen Resonator ausbreiten und ob sie in den freien Raum entweichen oder im Inneren des Geräts eingeschlossen bleiben.
Dieser Unterschied stellt eine grundlegende Unterscheidung zwischen OLED-optischen Simulationen und optischen Absorptionssimulationen in Solarzellen dar.
12. Zusammenfassung
In diesem Tutorial haben Sie die Transfermatrixmethode verwendet, um die optische Auskopplung in einer mehrschichtigen OLED-Anordnung zu simulieren.
Sie haben die Verteilung der Photonen, die wellenlängenabhängigen Resonanzen in der Kavität und die Wahrscheinlichkeit, mit der Photonen aus der OLED-Struktur austreten, untersucht.
Sie untersuchten auch, wie die optische Kavität die Wahrscheinlichkeit beeinflusst, mit der Photonen aus dem Gerät in den freien Raum entweichen.
Die Transfermatrixmethode bietet einen leistungsstarken und rechnerisch effizienten Ansatz zum Verständnis optischer Interferenz, Resonanzeffekte in Hohlräumen und der Auskopplungseffizienz in OLED-Bauelementen.