Simulación del acoplamiento óptico de dispositivos OLED mediante el método de la matriz de transferencia (TMM).
1. Introducción
En este tutorial, simulará el acoplamiento óptico en un diodo orgánico emisor de luz (OLED) utilizando el método de la matriz de transferencia (TMM).
A diferencia de las simulaciones de células solares, en las que la luz entra en el dispositivo y es absorbida, las simulaciones ópticas de OLED comienzan con fotones generados en el interior de la capa emisora. A continuación, el solucionador de la matriz de transferencia calcula cómo se propagan estos fotones a través de la pila multicapa y determina la probabilidad de que escapen del dispositivo al espacio libre.
Los OLED se ven fuertemente afectados por la interferencia óptica, ya que el grosor del dispositivo es comparable a la longitud de onda de la luz. La luz emitida en el interior del dispositivo se refleja repetidamente en el electrodo metálico y en las interfaces dieléctricas, lo que produce patrones de onda estacionaria y efectos de cavidad óptica.
Estos efectos de cavidad influyen considerablemente en el espectro de emisión final, el perfil de emisión angular, la pureza del color y la eficiencia de acoplamiento óptico del OLED.
En los dispositivos prácticos, solo una pequeña fracción de los fotones generados internamente se libera al espacio libre. Muchos fotones quedan atrapados en modos guiados, modos de sustrato o modos de plasmones superficiales en la interfaz metálica. Por lo tanto, comprender y optimizar la extracción óptica es uno de los principales desafíos en el diseño de pantallas OLED.
2. Creación de la simulación OLED.
Abra la ventana de la nueva simulación que se muestra en ??. Seleccione la categoría de OLED.
Dentro de la categoría OLED, seleccione el ejemplo OLED (TMM) que se muestra en ??.
Guarde la simulación en un directorio adecuado del disco duro. Una vez cargada, aparecerá la interfaz principal de la simulación que se muestra en ??.
El ejemplo muestra una estructura OLED multicapa completa, que incluye un contacto transparente de ITO, una capa de transporte de huecos, una capa emisora, una capa de transporte de electrones y un cátodo metálico.
3. Análisis de la estructura OLED.
Abra el editor de capas desde la barra de herramientas de la izquierda. Aparecerá la pila OLED multicapa que se muestra en ??.
El dispositivo consta de un ánodo transparente de ITO, una capa de transporte de huecos (HTL) de NPD, una capa emisora (EML) de Alq3, una capa de transporte de electrones (ETL) de TPBi, una capa interfacial de LiF y un cátodo de aluminio.
El cátodo de aluminio actúa como un espejo altamente reflectante, creando una cavidad óptica resonante en el interior del OLED. La luz emitida por la capa emisora se refleja repetidamente en el interior de esta cavidad, lo que modifica significativamente la distribución del campo óptico y la probabilidad de escape de la luz.
Dado que la cavidad óptica modifica la densidad local de los estados ópticos, el grosor de cada capa del OLED puede alterar significativamente la eficiencia y el espectro de emisión.
4. Apertura del solucionador de acoplamiento óptico.
Abra la pestaña «Óptica» que se muestra en ??.
Haga clic en el botón «Salida óptica» para abrir la ventana de simulación de la salida de luz del OLED.
A diferencia de las simulaciones ópticas de las células solares, las simulaciones de la extracción de luz de los OLED calculan la propagación de los fotones generados internamente, en lugar de la luz incidente desde el exterior.
El solucionador de la matriz de transferencia calcula la distribución del campo eléctrico óptico, las resonancias de la cavidad, la probabilidad de escape de fotones y la eficiencia de acoplamiento en función de la longitud de onda en toda la estructura multicapa del OLED.
5. Configuración de la capa de emisión.
Abra el editor de emisión óptica que se muestra en ??.
Este editor controla las propiedades de emisión óptica de las capas OLED. En este ejemplo, la capa emisora de Alq3 utiliza espectros de emisión medidos experimentalmente.
El solucionador de la matriz de transferencia emite fotones desde la capa emisora y, a continuación, calcula cómo se propagan estos fotones a través de la estructura multicapa.
La configuración de trazado de rayos angulares define la resolución angular que se utiliza al calcular la propagación de los fotones y la probabilidad de escape.
Dado que la cavidad OLED modifica significativamente la distribución angular de los fotones emitidos, es importante realizar un muestreo angular preciso al calcular la eficiencia de extracción.
6. Configuración de la malla óptica.
Abra el editor de mallas ópticas que se muestra en ??.
La malla de longitudes de onda controla el rango espectral y la resolución de la longitud de onda que se utilizan durante la simulación de la extracción de luz del OLED.
En este ejemplo, el rango de longitudes de onda abarca aproximadamente de 300 a 580 nm, lo que incluye el rango de emisión del material emisor Alq3.
Aumentar la resolución de la longitud de onda mejora la precisión espectral, aunque esto implica un mayor tiempo de procesamiento.
7. Distribución de la densidad de fotones.
Ejecute la simulación de acoplamiento óptico presionando el botón «Ejecutar simulación óptica».
Una vez que finalice la simulación, aparecerá el mapa de densidad de fotones que se muestra en ??.
El eje horizontal corresponde a la posición dentro de la pantalla OLED, mientras que el eje vertical corresponde a la longitud de onda.
Las zonas más brillantes corresponden a las longitudes de onda y posiciones en las que el campo eléctrico óptico se intensifica gracias a las resonancias de la cavidad. Se pueden observar patrones de ondas estacionarias intensos en toda la estructura del OLED debido a las múltiples reflexiones entre el cátodo metálico y el ánodo transparente.
Estos patrones de onda estacionaria influyen considerablemente en la ubicación donde se acumulan los fotones dentro del dispositivo y determinan la eficiencia con la que los fotones se liberan al espacio libre.
8. Probabilidad de escape de fotones
Al seleccionar la pestaña de probabilidad de escape, se genera el mapa de probabilidad de escape que varía en función de la longitud de onda y la posición, tal como se muestra en ??.
Este gráfico muestra la probabilidad de que los fotones generados en el interior de la pantalla OLED escapen del dispositivo y se propaguen en el espacio libre.
La probabilidad de escape varía considerablemente en función de la longitud de onda y la posición, ya que el OLED se comporta como una cavidad óptica resonante.
En determinadas longitudes de onda, la cavidad óptica favorece la extracción de la luz, mientras que en otras longitudes de onda los fotones quedan atrapados en los modos de guía o en los modos de la cavidad.
La probabilidad de escape promedio, que se muestra en ??, revela cómo varía la eficiencia de la extracción de luz a lo largo del espectro visible.
9. Probabilidad de escape en función de la posición.
La pestaña «Probabilidad de escape (1D en el eje y)» genera el perfil de probabilidad de escape resuelto espacialmente que se muestra en ??.
Este gráfico muestra la eficiencia con la que los fotones escapan, dependiendo de la posición en la que se generan dentro del OLED.
La máxima eficiencia de extracción se produce cerca de los puntos de máximo del campo óptico del modo de la cavidad. En consecuencia, la posición exacta de la capa emisora dentro de la cavidad del OLED influye considerablemente en la eficiencia final del dispositivo.
En el diseño práctico de pantallas OLED, el grosor de la capa emisora y la posición de la cavidad se ajustan con frecuencia con mucho cuidado para maximizar la superposición con el antinodo de la cavidad óptica.
10. Probabilidad de escape y características energéticas del dispositivo.
Los gráficos que muestran la eficiencia de la extracción óptica también pueden mostrarse junto con los niveles de energía del OLED, como se indica en ??.
Superponer la distribución del campo óptico con la estructura electrónica del dispositivo proporciona información física valiosa sobre la relación entre la recombinación de cargas y la emisión de luz.
En condiciones ideales, la recombinación de electrones y huecos debería producirse en las regiones donde la probabilidad de escape óptico sea alta. Si la recombinación se produce en regiones con una baja eficiencia de extracción, una gran proporción de fotones podría quedar atrapada dentro de la cavidad del OLED.
11. Emisión interna en lugar de iluminación externa.
A diferencia de las simulaciones fotovoltaicas, las simulaciones ópticas de OLED no requieren iluminación externa. En cambio, los fotones se generan internamente dentro de la capa emisora.
A continuación, el algoritmo de resolución de la matriz de transferencia determina cómo se propagan estos fotones generados internamente a través de la cavidad óptica y si escapan al espacio libre o permanecen atrapados dentro del dispositivo.
Esta diferencia establece una distinción fundamental entre las simulaciones ópticas de OLED y las simulaciones de absorción óptica en células solares.
12. Resumen
En este tutorial, utilizó el método de la matriz de transferencia para simular el acoplamiento óptico en un dispositivo OLED multicapa.
Analizó la distribución de la densidad de fotones, las resonancias de la cavidad en función de la longitud de onda y las probabilidades de escape de los fotones en toda la estructura del OLED.
También se estudió cómo la cavidad óptica modifica la probabilidad de que los fotones escapen del dispositivo y se propaguen en el espacio libre.
El método de la matriz de transferencia ofrece un marco de trabajo potente y eficiente desde el punto de vista computacional para comprender la interferencia óptica, las resonancias de cavidad y la eficiencia de extracción de luz en los dispositivos OLED.