Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Dresden.

Zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten erlangen vor allem Magnesium-Knetlegierungen eine immer größere Bedeutung. Aufgrund deren eingeschränkter Umformeigenschaften bei Raumtemperatur kann die Formgebung allerdings nur bei erhöhten Temperaturen erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, derzeit bestehende Wissensdefizite hinsichtlich der Auslegung von temperierten Tiefziehwerkzeugen abzubauen. Dabei standen neben der Gestaltung der thermischen Einbauten des Umformwerkzeuges auch Untersuchungen zu den Auswirkungen der beheizten Werkzeuge auf die Umformmaschine im Blickfeld. So wird z.B. geklärt, wie durch eine thermische Trennung von beheiztem Werkzeug und Umformmaschine ein störungsfreier Betriebsablauf des Umformprozesses sichergestellt werden kann. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildeten Untersuchungen zur Kontakt-Wärmeübertragung zwischen Stahl und der Magnesiumlegierung MgAl3Zn1, um Aussagen zur erforderlichen Aufheizzeit des Magnesiumbleches möglich zu machen.

Zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten erlangen vor allem Magnesium-Knetlegierungen eine immer größere Bedeutung. Aufgrund deren eingeschränkter Umformeigenschaften bei Raumtemperatur kann die Formgebung allerdings nur bei erhöhten Temperaturen erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, derzeit bestehende Wissensdefizite hinsichtlich der Auslegung von temperierten Tiefziehwerkzeugen abzubauen. Dabei standen neben der Gestaltung der thermischen Einbauten des Umformwerkzeuges auch Untersuchungen zu den Auswirkungen der beheizten Werkzeuge auf die Umformmaschine im Blickfeld. So wird z.B. geklärt, wie durch eine thermische Trennung von beheiztem Werkzeug und Umformmaschine ein störungsfreier Betriebsablauf des Umformprozesses sichergestellt werden kann. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildeten Untersuchungen zur Kontakt-Wärmeübertragung zwischen Stahl und der Magnesiumlegierung MgAl3Zn1, um Aussagen zur erforderlichen Aufheizzeit des Magnesiumbleches möglich zu machen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Darmstadt.

Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.

Anyone who decides to buy a new mobile phone today is likely to buy a screen made from organic light-emitting diodes (OLEDs). OLEDs are a relatively new display technology and will probably account for the largest market share in the upcoming years. This is due to their brilliant colors, high achievable display resolution, and comparably simple processing. Since they are not based on the rigid crystal structure of classical semiconductors and can be produced as planar thin-film modules, they also enable the fabrication of large-area lamps on flexible substrates – an attractive scenario for future lighting systems. Despite these promising properties, the breakthrough of OLED lighting technology is still pending and requires further research. The charge-carrier dynamics in an OLED determine its device functionality and, therefore, enable the understanding of fundamental physical concepts and phenomena. From the description of charge-carrier dynamics, this work derives experimental methods and device concepts to optimize the efficiency and stability of OLEDs. OLEDs feature an electric current of charge carriers (electrons and holes) that are intended to recombine under the emission of light. This process is preceded by charge-carrier injection and their transport to the emission layer. These three aspects are discussed together in this work. First, a method is presented that quantifies injection resistances using a simple experiment. It provides a valuable opportunity to better understand and optimize injection layers. Subsequently, the charge carrier transport at high electrical currents, as required for OLEDs as bright lighting elements, will be investigated. Here, electro-thermal effects are presented that form physical limits for the design and function of OLED modules and explain their sudden failure. Finally, the dynamics and recombination of electro-statically bound charge carrier pairs, so-called excitons, are examined. Various options are presented for manipulating exciton dynamics in such a way that the emission behavior of the OLED can be adjusted according to specific requirements.:List of publications . . . . . . . . . . . . . . . . . v List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Light sources and the human society . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Human light perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Physical light quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 Non-visual light impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4 Implications for modern light sources . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Molecular energy states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Intramolecular state transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3 Molecular films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.4 Electrical doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.5 Charge-carrier transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.6 Exciton formation and recombination . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.7 Exciton transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.1 Structure and operation principle . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.2 Metal-semiconductor interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Typical operation characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4 Colloidal nanocrystal emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.1 Terminology: Nanocrystals and quantum dots . . . . . . . . 52 2.4.2 The particle-in-a-box model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4.3 Surface passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.1 OLED materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.2 Materials for photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 Solution processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.1 Absorbance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Photoluminescence quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Excitation sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3.4 Sensitive EQE for absorber materials . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Exciton-lifetime analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Triplet lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Singlet-state lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.3 Lifetime extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 OLED characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.1 Current-voltage-luminance and quantum efficiency . . . . . . 73 3.5.2 Temperature-controlled evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Charge-carrier injection into doped organic films . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Ohmic injection contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Device architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.2 Device symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Device homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3 Resistance characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2 Equivalent-circuit development . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4 Impedance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Measurement fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.2 Thickness dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5 Depletion zone variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Molybdenum oxide as a case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Charge-carrier transport and self-heating in OLED lighting . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.1 Joule self-heating in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.1 Electrothermal feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.2 Thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.3 Cooling strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Self-heating causes lateral luminance inhomogeneities in OLEDs . . 108 5.2.1 The influence of transparent electrodes . . . . . . . . . . . . 108 5.2.2 Luminance inhomogeneities in large OLED panels . . . . . . 110 5.3 Electrothermal OLED models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1 Perceiving an OLED as thermistor array . . . . . . . . . . . 112 5.3.2 The OLED as a single three-layer thermistor . . . . . . . . . 114 5.3.3 A numerical 3D model of heat and current flow . . . . . . . 116 5.4 OLED stack and experimental conception . . . . . . . . . . . . . . 118 5.5 The Switch-back effect in planar light sources . . . . . . . . . . . . 120 5.5.1 Predictions from numerical 3D modeling . . . . . . . . . . . 121 5.5.2 Experimental proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.5.3 Variation of vertical heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5.4 Variation of the OLED area . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6 Electrothermal tristabilities in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.6.1 Observing different burn-in schematics . . . . . . . . . . . . 133 5.6.2 Bistability and tristability in organic semiconductors . . . . 134 5.6.3 Experimental indications for attempted branch hopping . . . 138 5.6.4 Saving bright OLEDs from burning in . . . . . . . . . . . . 144 5.6.5 Taking another view onto the camera pictures . . . . . . . . 145 6 Charge-carrier recombination and exciton management . . . . . . . . . . . . . . . . .147 6.1 Optical down conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.1 Spectral reshaping of visible OLEDs . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.2 Infrared-emitting OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2 Dual-state Förster transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.2 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3 Singlet fission and triplet fusion in rubrene . . . . . . . . . . . . . . 161 6.3.1 Photoluminescence of pure and doped rubrene films . . . . . 163 6.3.2 Electroluminescence transients of rubrene OLEDs . . . . . . 172 6.4 Charge transfer-state tuning by electric fields . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.1 CT-state tuning via doping variation . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.2 CT-state tuning via voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.5 Excursus: Exciton-spin mixing for wavelength identification . . . . 183 6.5.1 Characteristics of the active film . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.5.2 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.5.3 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.5.5 Application demonstrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.5.6 All-organic device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5.7 Device limitations and prospects . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7 Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.1 Charge-carrier injection into doped films . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.2 Charge-carrier transport in hot OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.2.1 Prospects for OLED lighting facing tristable behavior . . . . 209 7.2.2 Outlook: Accessing the hidden PDR 2 region . . . . . . . . . 210 7.3 Charge-carrier recombination and spin mixing . . . . . . . . . . . . 211 7.3.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.3.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 / Wer sich heute für ein neues Mobiltelefon entscheidet, kauft damit wahrscheinlich einen Bildschirm aus organischen Leuchtdioden (OLEDs). Durch ihre brillanten Farben, die hohe erreichbare Auflösung und eine vergleichsweise einfache Prozessierung werden OLEDs als relativ neue Bildschirmtechnologie in den nächsten Jahren wohl den größten Marktanteil ausmachen. Da sie nicht auf der starren Kristallstruktur klassischer Halbleiter beruhen und als planare Dünnschichtmodule produziert werden können, ermöglichen sie außerdem die Fertigung großer Flächenstrahler auf flexiblen Substraten – ein sehr attraktives Szenario für zukünftige Beleuchtungssysteme. Trotz dieser vielversprechenden Eigenschaften steht der Durchbruch der OLED-Technologie als Leuchtmittel noch aus und erfordert weitere Forschung. Die Dynamik der Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in einer OLED charakterisiert wichtige Teile der Bauteilfunktion und ermöglicht daher das Verständnis grundlegender physikalischer Konzepte und Phänomene. Diese Arbeit leitet anhand dieser Beschreibung experimentelle Methoden und Bauteilkonzepte ab, um die Effizienz und Stabilität von OLEDs zu optimieren. OLEDs zeichnen sich dadurch aus, dass ein elektrischer Strom aus Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) möglichst effizient unter Aussendung von Licht rekombiniert. Diesem Prozess geht eine Ladungsträgerinjektion und deren Transport zur Emissionsschicht voraus. Diese drei Aspekte werden in dieser Arbeit zusammenhängend diskutiert. Als erstes wird eine Methode vorgestellt, die Injektionswiderstände anhand eines einfachen Experimentes quantifiziert. Sie bildet eine wertvolle Möglichkeit, Injektionsschichten besser zu verstehen und zu optimieren. Anschließend wird der Ladungsträgertransport bei hohen elektrischen Strömen untersucht, wie sie für OLEDs als helle Beleuchtungselemente nötig sind. Hier werden elektro-thermische Effekte vorgestellt, die physikalische Grenzen für das Design und die Funktion von OLED Modulen bilden und deren plötzliches Versagen erklären. Abschließend wird die Dynamik der stark elektrostatisch gebundenen Ladungsträgerpaare, sogenannter Exzitonen, kurz vor deren Rekombination untersucht. Es werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt sie so zu manipulieren, dass sich das Abstrahlverhalten der OLED anhand bestimmter Anforderungen einstellen lässt.:List of publications . . . . . . . . . . . . . . . . . v List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Light sources and the human society . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Human light perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Physical light quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 Non-visual light impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4 Implications for modern light sources . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Molecular energy states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Intramolecular state transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3 Molecular films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.4 Electrical doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.5 Charge-carrier transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.6 Exciton formation and recombination . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.7 Exciton transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.1 Structure and operation principle . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.2 Metal-semiconductor interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Typical operation characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4 Colloidal nanocrystal emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.1 Terminology: Nanocrystals and quantum dots . . . . . . . . 52 2.4.2 The particle-in-a-box model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4.3 Surface passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.1 OLED materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.2 Materials for photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 Solution processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.1 Absorbance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Photoluminescence quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Excitation sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3.4 Sensitive EQE for absorber materials . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Exciton-lifetime analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Triplet lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Singlet-state lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.3 Lifetime extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 OLED characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.1 Current-voltage-luminance and quantum efficiency . . . . . . 73 3.5.2 Temperature-controlled evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Charge-carrier injection into doped organic films . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Ohmic injection contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Device architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.2 Device symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Device homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3 Resistance characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2 Equivalent-circuit development . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4 Impedance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Measurement fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.2 Thickness dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5 Depletion zone variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Molybdenum oxide as a case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Charge-carrier transport and self-heating in OLED lighting . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.1 Joule self-heating in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.1 Electrothermal feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.2 Thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.3 Cooling strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Self-heating causes lateral luminance inhomogeneities in OLEDs . . 108 5.2.1 The influence of transparent electrodes . . . . . . . . . . . . 108 5.2.2 Luminance inhomogeneities in large OLED panels . . . . . . 110 5.3 Electrothermal OLED models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1 Perceiving an OLED as thermistor array . . . . . . . . . . . 112 5.3.2 The OLED as a single three-layer thermistor . . . . . . . . . 114 5.3.3 A numerical 3D model of heat and current flow . . . . . . . 116 5.4 OLED stack and experimental conception . . . . . . . . . . . . . . 118 5.5 The Switch-back effect in planar light sources . . . . . . . . . . . . 120 5.5.1 Predictions from numerical 3D modeling . . . . . . . . . . . 121 5.5.2 Experimental proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.5.3 Variation of vertical heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5.4 Variation of the OLED area . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6 Electrothermal tristabilities in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.6.1 Observing different burn-in schematics . . . . . . . . . . . . 133 5.6.2 Bistability and tristability in organic semiconductors . . . . 134 5.6.3 Experimental indications for attempted branch hopping . . . 138 5.6.4 Saving bright OLEDs from burning in . . . . . . . . . . . . 144 5.6.5 Taking another view onto the camera pictures . . . . . . . . 145 6 Charge-carrier recombination and exciton management . . . . . . . . . . . . . . . . .147 6.1 Optical down conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.1 Spectral reshaping of visible OLEDs . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.2 Infrared-emitting OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2 Dual-state Förster transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.2 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3 Singlet fission and triplet fusion in rubrene . . . . . . . . . . . . . . 161 6.3.1 Photoluminescence of pure and doped rubrene films . . . . . 163 6.3.2 Electroluminescence transients of rubrene OLEDs . . . . . . 172 6.4 Charge transfer-state tuning by electric fields . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.1 CT-state tuning via doping variation . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.2 CT-state tuning via voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.5 Excursus: Exciton-spin mixing for wavelength identification . . . . 183 6.5.1 Characteristics of the active film . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.5.2 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.5.3 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.5.5 Application demonstrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.5.6 All-organic device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5.7 Device limitations and prospects . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7 Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.1 Charge-carrier injection into doped films . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.2 Charge-carrier transport in hot OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.2.1 Prospects for OLED lighting facing tristable behavior . . . . 209 7.2.2 Outlook: Accessing the hidden PDR 2 region . . . . . . . . . 210 7.3 Charge-carrier recombination and spin mixing . . . . . . . . . . . . 211 7.3.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.3.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

The Joule heating of carbon fiber-based textiles enables an energy- and cost-efficient processing of carbon fiber reinforced thermoplastic parts. This article introduces a new method to pass direct current into a dry, not pre-consolidated hybrid yarn textile based on recycled carbon fibers and polyamide 6 fibers. The aim is to melt polyamide fibers, subsequently impregnate carbon fibers, and finally consolidate the material to form a composite part in a single process step. To increase the reliability of this technology, the electrical properties and the behavior of the material during the heating process must be thoroughly investigated. It will be addressed how the material is characterized during the process and how the changing resistivity of the textile affects the current flow between the electrodes to generate intrinsic heat. Moreover, a method to determine the effective material resistivity by finite element simulation on the fiber scale based on a CT scan is presented. Thus, a validated material model with respect to the temperature development in the textile based on ρ = ρ (T) was established.

In fuel cells, stacks of several hundred bipolar plates are combined in membrane electrode assemblies, in which the electrochemical reactions take place. As a result, it must be possible to produce the bipolar plates cost-efficiently. In addition, the corrosion resistance in the surrounding medium and the electrical conductivity have to be sufficiently high. As stainless steels show passivation over time, more expensive materials, like graphite or noble-metal coatings, are used. This paper describes an alternative coating, which can fulfil the above-mentioned requirements. Using electroplating, Cr coatings with thicknesses > 20 µm can be deposited at low costs and REACH compliant. Subsequently, the Cr layers are gas nitrided resulting in a dense Cr-N coating with electrical and corrosion properties exceeding the ones of common stainless steels. Using this new approach, well-performing fuel cells could be produced cost-efficiently.

Die Analyse der geometrischen Voraussetzungen der Schweißstelle bildet die Grundlage der Arbeit. Es wurde ein künstlicher Passfehler definiert, an welchem eine systematische Variation von geometrischen Parametern des Spaltes zwischen den Blechen an 22MnB5 und DC04 durchgeführt wurde. Erstmals werden die Kontaktradien durch Kennzahlen in analytischen Zusammenhang mit der Verlagerung der Wärmefreisetzung in der Umgebung der Kontakte gebracht. Am Vergütungsstahl wird vorrangig der Kontaktradius zwischen den Blechen infolge des Spaltes verringert. Erhöhte Elektrodenkraft kann dies nicht kompensieren. Messungen des dynamischen elektrischen Widerstandes charakterisieren das elektrische Verhalten der Schweißstelle und wurden mittels des KMK-Modells implizit auf den temperatur- und druckabhängigen spezifischen Übergangswiderstand übertragen. Der feueraluminierte Vergütungsstahl zeigt am Blech-Blech Kontakt einen über dreimal so hohen Übergangswiderstand wie am Elektrode-Blech Kontakt. Zeigt der 22MnB5 über 600 K grundsätzlich einen größeren Übergangswiderstand als andere Stähle, so ist bei niedrigeren Temperaturen sein Übergangswiderstand kleiner als an verschiedenen anderen Werkstoffen. Schweißversuche zeigten, dass der Linsendurchmesser an 22MnB5 infolge des Passabstandesunter den Mindestdurchmesser abnimmt, damit einher geht eine Absenkung der Schweißenergie um maximal 15 %. Durch Erhöhung des Schweißstromes sind qualitätsgerechte Schweißungen auch am Spalt möglich. Die Spritzergrenze verschiebt sich durch den Spalt zu größeren Strömen hin. Eine vertiefte Analyse der Wärmeströme zeigte, dass mindestens 30 % der Schweißwärme an den Elektrode-Blech Kontakten freigesetzt werden, mindestens 48 % entfallen auf den Stoffwiderstand des Bleches. Die Absenkung der Schweißwärme am Passfehler ist ausschließlich auf einen verminderten Stoffwiderstand zurückzuführen, welcher durch verstärktes Einsinken der Elektroden hervorgerufen wird. / The analysis of the geometric prerequisites at the weld site is the fundament of this work. An artificial form error has been defined, on which the systematic Variation of geometric parameters of the gap between sheets of 22MnB5 and DC04 have been carried out. For the first time, the contact radii have been brought into analytical relation to the relocation of heat release in the contact’s environment. On the heat-treatable steel predominantly the contact radius between the sheets is decreased as a result of the gap. Increased electrode forces cannot compensate the effect. Measurements of the electric resistance on the accurately-fitting joint characterize the electric behaviour of the weld and have been implicitly transferred to the temperature and pressure-dependent specific transition resistance by means of numerical simulation. On the sheet-sheet contact, the hot-dip aluminized heat-treatable steel showed a three times larger transition resistance than at the electrode-sheet contact. Whereas the 22MnB5 fundamentally has a bigger transition resistance than other steels above 600 K, at lower temperatures his transition resistance is superseded by that of different other steels. Welding experiments proved, that the nugget diameter in 22MnB5 is reduced below the minimum criterion by the gap. Along with this, the welding energy is reduced by a maximum of 15 %. By increasing the welding current welded joints meeting the quality criterion can be produced as well when a gap is present. The splash limit is moved to larger currents as an effect of the gap. An in-depth review of the heat flows in the welding process showed, the at least 30 % of the weld heat are released at the sheet-sheet contacts, at least 48 % are allotted to the bulk resistance of the sheets. The decrease of weld heat at the gap is exclusively attributed to a decrease of the bulk resistance of the sheets, which is generated by increased sink-in of the electrodes.