This work focuses on a better understanding of the behavior of organic light emitting devices (OLEDs) under intense electrical excitation. Attaining high exciton densities in organic semiconductors by electrical excitation is of special interest for the field of organic semiconductor lasers (OSLs). In these devices, the high singlet exciton density needed in the active layer to obtain population inversion is easily created by pulsed optical pumping, but direct electrical pumping has not been achieved yet. First, the steps necessary to achieve stable high current densities in organic semiconductors are discussed. After determining the optimal excitation scheme using single p-doped transport layers, the device complexity is increased up to full p-i-n OLEDs with their power dependent emission spectra. For this purpose, two exemplary emitter systems are chosen: the fluorescent laser dye 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) doped into Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) and the efficient phosphorescent emitter system N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) doped by Iridium(III) bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)). For pulsed excitation using 50 ns pulses and a repetition rate of 1 kHz, single 100 nm thin p- and n-doped transport layers sustain current densities of over 6 kA/cm2. While the maximum current density decreases with increasing device thickness, the full OLEDs still sustain current densities beyond 800 A/cm2 and exhibit a continuously increasing emission intensity with increasing input power. Next, the time-resolved emission behavior of the singlet and triplet emitter device at high excitation densities is analyzed on the nanosecond scale. Here, the peak emission intensity of the phosphorescent emitter system is found to be more than eight times lower than for the singlet emitter system at comparable current densities. The triplet emitter system exhibits a slow rise of the EL after turn-on which prevents the usage of shorter pulses to enable higher current densities. The singlet emitter system, in contrast, exhibits a fast turn-on and reaches the maximum emission intensity within less than 20 ns. By several additional experiments including streak camera measurements and pump-probe experiments, the strong EL overshoot observed in the first few ns is successfully attributed to a reduced emission intensity in the steady state due to singlet-triplet annihilation. Hence, the separation of singlet emission and singlet-triplet quenching in time domain is demonstrated. At 550 A/cm2 and 10 ns pulse rise time, a peak luminance of 1.5E6 cd/m2 is recorded. Finally, the experimental results are validated by modeling the singlet and triplet population dynamics in the emission layer of the fluorescent system to explain the time-resolved emission characteristics. Using a set of rate equations for the polaron density and the singlet and triplet exciton densities, the overshoot in singlet exciton density at the device turn-on is attributed to the separation of singlet emission and triplet quenching in time domain. Furthermore, by fitting the experimental data, the triplet-triplet annihilation rate in the host guest system is shown to become exciton density dependent at sufficiently high excitation density. / Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem besseren Verständnis des Verhaltens von organischen Leuchtdioden (OLEDs) bei intensiver elektrischer Anregung. Das Erreichen hoher Exzitonendichten in organischen Halbleitern ist insbesondere für organische Halbleiterlaser (organic semiconductor lasers, OSLs) von Interesse. Hierbei werden die für die Inversion benötigten hohen Singulett Exzitonendichten zwar leicht mittels gepulstem optischen Anregen (Pumpen) erreicht, jedoch konnte eine elektrische Anregung bisher noch nicht realisiert werden. Der erste Abschnitt befasst sich mit dem Erreichen von hohen Stromdichten und den dazu nötigen Schritten. Nach dem Ermitteln des optimalen Anregungsschemas an p-dotierten Einzelschichten wird die Komplexität des Systems Schritt für Schritt bis zur kompletten p-i-n OLED erhöht. Hierfür wurden exemplarisch zwei verschiedene Emittersysteme ausgewählt: Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) dotiert mit dem fluoreszenten Laserfarbstoff 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) und der effiziente phosphoreszente Emitter Iridium(III)bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)) in einer N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) Matrix.Bei gepulster Anregung mit einer Pulsweite von 50 ns und einer Wiederholungsrate von 1 kHz sind in 100 nm dünnen p- und n-dotierten Transportschichten Stromdichten von mehr als 6 kA/cm2 möglich. Der Maximalstrom sinkt mit zunehmender Gesamtschichtdicke ab. Die kompletten p-i-n OLEDs ermöglichen eine Stromdichte von über 800 kA/cm2 und weisen eine kontinuierlich mit der Stromdichte steigende Emissionsintensität auf. Anschließend wird die zeitlich aufgelöste Elektrolumineszenz der Singulett- und Triplett-Emitter OLEDs mit Nanosekunden-Auflösung untersucht. Die phosphoreszente OLED weist hierbei, im Vergleich zur fluoreszenten OLED bei vergleichbarer Stromdichte, eine mehr als achtmal geringere Emissionsintensität auf. Des Weiteren steigt die Emissionsintensität nur langsam an, die maximale Intensität wird erst nach 120 ns erreicht. Dies steht im Widerspruch zum Erreichen höherer Stromdichten mittels kürzerer Pulse. Die fluoreszente OLED hingegen zeigt ein schnelles Ansteigen der Emissionsintensität, die maximale Intensität wird nach weniger als 20 ns erreicht. Anhand von zusätzlichen Untersuchungen kann das beobachtete starke Überschießen der Elektrolumineszenz innerhalb der ersten Nanosekunden einer durch Singulett-Triplett Annihilation reduzierten Emission im Gleichgewichtszustand zugeordnet werden. Diese Experimente dokumentieren somit die zeitliche Trennung von Fluoreszenz und Singulett-Triplett Annihilation. Bei einer Stromdichte von 550 A/cm2 und 10 ns Flankenanstiegszeit wird eine maximale Lumineszenz von 1.5E6 cd/m2 gemessen. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Bestätigung der experimentellen Ergebnisse durch die Simulation der Dynamik von Singulett- und Triplett-Exzitonendichte in der Emissionsschicht. Mit Hilfe eines Satzes von gekoppelten Differenzialgleichungen für die Dichte der Polaronen, Singulett Exzitonen und Triplett Exzitonen lässt sich das Überschießen der Elektrolumineszenz der fluoreszenten OLED eindeutig der zeitlichen Trennung von Singulett Emission und Singulett-Triplett Annihilation zuordnen. Außerdem kann durch das Fitten der experimentellen Daten dargestellt werden, dass die Triplett-Triplett Annihilationsrate in dem untersuchten fluoreszenten Emittersystem bei ausreichend hohen Anregungsdichten eine starke Abhängigkeit von der Dichte der Triplett Exzitonen aufweist.

We demonstrate a new approach for fabricating alternating current driven organic electroluminescent devices using the concept of doping in organic semiconductors. Doped charge transport layers are used for generation of charge carriers within the device, hence eliminating the need for injecting charge carriers from external electrodes. The device is an organic-inorganic hybrid: We exploit the mechanical strength and chemical stability of inorganic semiconductors and combine it with better optical properties of organic materials whose emission color can be chemically tuned so that it covers the entire visible spectrum. The device consists of an organic electroluminescence (EL) layer composed of unipolar/ambipolar charge transport materials doped with organic dyes (10 wt% ) as well as molecularly doped charge generation layers enclosed between a pair of transparent insulating metal oxide layers. A transparent indium doped tin oxide (ITO) layer acts as bottom electrode for light outcoupling and Aluminium (Al) as top reflective electrode. The electrodes are for applying field across the device and to charge the device, instead of injection of charge carriers in case of direct current (DC) devices. Bright luminance of up to 5000 cd m-2 is observed when the device is driven with an alternating current (AC) bias. The luminance observed is attributed to charge carrier generation and recombination, leading to formation of excitons within the device, without injection of charge carriers through external electrodes.

This work focusses on the development of top-emitting white organic light-emitting diodes (OLEDs), which can be fabricated on metal substrates. Bottom-emitting OLEDs have been studied intensively over the years and show promising perspectives for future commercial applications in general lighting. The development of top-emitting devices has fallen behind despite the opportunities to produce these devices also on low-cost opaque substrates. This is due to the challenges of top-light-emission concerning the achievement of a broad and well-balanced white emission spectrum in presence of a strong microcavity. The following work is a further step towards the detailed understanding and optimization of white top-emitting OLEDs. First, the available metal substrates and the deposited silver electrodes are examined microscopically to determine their surface characteristics and morphology in order to assess their applicability for thin-film organic stacks of OLEDs. The examination shows the suitability for untreated Alanod metal substrates, which display low surface roughness and almost no surface defects. For the deposited silver anodes, investigations via AFM show a strong influence of the deposition rate on the surface roughness. In the main part of the work top-emissive devices with both hybrid and all-phosphorescent architecture are investigated, in which three or four emitter materials are utilized to achieve maximum performance. The feasibility for top-emitting white OLEDs in first and second order devices is investigated via optical simulations, using the example of a three-color hybrid OLED. Here, the concept of a dielectric capping layer on top of the cathode is an essential criterion for broadband and nearly angle independent light emission. The main focus concerning the investigation of fabricated devices is the optimization of the organic stacks to achieve high efficiencies as well as excellent color quality of warm white emission. The optimization of the hybrid layer structure based on three emitter materials using a combined aluminum-silver anode mirror resulted in luminous efficacies up to 13.3 lm/W and 5.3 % external quantum efficiency. Optical analysis by means of simulation revealed a superior position concerning internal quantum efficiency compared to bottom-emitting devices with similar layer structure. The devices show an enhanced emission in forward direction compared to an ideal Lambertian emitter, which is highly preferred for lighting applications. The color quality - especially for devices based on a pure Al anode - is showing excellent color coordinates near the Planckian locus and color rending indices up to 77. The introduction of an additional yellow emitter material improves the luminous efficacy up to values of 16.1 lm/W and external quantum efficiencies of 5.9 %. With the choice of a all-phosphorescent approach, using orange-red, light blue and green emitter materials, luminous efficacies of 21.7 lm/W are realized with external quantum efficiencies of 8.5 %. Thereby, color coordinates of (x, y) = (0.41, 0.45) are achieved. Moreover, the application of different crystalline capping layers and alternative cathode materials aim at a scattering of light that further reduces the angular dependence of emission. Experiments with the crystallizing material BPhen and thin carbon nanotube films (CNT) are performed. Heated BPhen capping layer with a thickness of 250 nm show a lower color shift compared to the NPB reference capping layer. Using CNT films as cathode leads to a broadband white emission at a cavity thickness of 160 nm. However, due to very high driving voltages needed, the device shows low luminous efficacy. Finally, white top-emitting organic LEDs are successfully processed on metal substrates. A comparison of three and four color based hybrid devices reveal similar performance for the devices on glass and metal substrate. Only the devices on metal substrate show slightly higher leakaged currents. During repeated mechanical bending experiments with white devices deposited on 0.3 mm thin flexible Alanod substrates, bending radii up to 1.0 cm can be realized without device failure. / Diese Arbeit richtet ihren Schwerpunkt auf die Entwicklung von top-emittierenden weißen organischen Leuchtdioden (OLEDs), welche auch auf Metallsubstraten gefertigt werden können. Im Laufe der letzten Jahre wurden bottom-emittierende OLEDs sehr intensiv studiert, da sie vielversprechende Perspektiven für zukünftige kommerzielle Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung bieten. Trotz der Möglichkeit, OLEDs auch auf kostengünstigen lichtundurchlässigen Substraten fertigen zu können, blieb die Entwicklung von top-emittierenden Bauteilen dabei allerdings zurück. Dies läßt sich auf die enormen Herausforderungen von top-emittierenden OLEDs zurückführen, ein breites und ausgeglichenes weißes Abstrahlungsspektrum in Gegenwart einer Mikrokavität zu generieren. Die folgende Arbeit liefert einen Beitrag zum detaillierten Verständnis und der Optimierung von weißen top-emittierenden OLEDs. Zunächst werden die verfügbaren Metallsubstrate und abgeschiedenen Silberelektroden auf ihre Oberflächeneigenschaften und Morphologie mikroskopisch untersucht, um damit ihre Verwendbarkeit für organische Dünnfilmstrukturen in OLEDs einzuschätzen. Die Untersuchung zeigt eine Eignung von unbehandelten Alanod Metallsubstraten auf, welche eine niedrige Oberflächenrauigkeit und fast keine Oberflächendefekte besitzen. Bei den abgeschiedenen Silberelektroden zeigen Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop eine starke Beeinflussung der Oberflächenrauigkeit durch die Aufdampfrate. Im Hauptteil der Arbeit werden top-emittierende Dioden mit hybrid und voll-phosphoreszenter Architektur untersucht, in welcher drei oder vier Emittermaterialien verwendet werden, um eine optimale Leistungscharakteristik zu erreichen. Die Realisierbarkeit von top-emittierenden weißen OLEDs in Dioden erster und zweiter Ordnung wird durch optische Simulation am Beispiel einer dreifarb-OLED mit Hybridstruktur ermittelt. Dabei ist das Konzept der dielektrischen Deckschicht - aufgebracht auf die Kathode - ein essenzielles Kriterium für breitbandige und annähernd winkelunabhängige Lichtemission. Der Schwerpunkt im Hinblick auf die Untersuchung von hergestellten Dioden liegt in der Optimierung der organischen Schichtstrukturen, um hohe Effizienzen sowie exzellente warmweiße Farbqualität zu erreichen. Im Rahmen der Optimierung von hybriden Schichtstrukturen basierend auf drei Emittermaterialien resultiert die Verwendung eines kombinierten Aluminium-Silber Anodenspiegels in einer Lichtausbeute von 13.3 lm/W und einer externen Quanteneffizienz von 5.3 %.Eine optische Analyse mit Hilfe von Simulationen zeigt eine überlegene Stellung hinsichtlich der internen Quanteneffizient verglichen mit bottom-emittierenden Dioden ähnlicher Schichtstruktur. Die Dioden zeigen eine verstärkte vorwärts gerichtete Emission im Vergleich zu einem idealen Lambertschen Emitter, welche in hohem Maße für Beleuchtungsanwendungen erwünscht ist. Es kann eine ausgezeichnete Farbqualität erreicht werden - insbesondere für Dioden basierend auf einer reinen Aluminiumanode - mit Farbkoordinaten nahe der Planckschen Strahlungskurve und Farbwiedergabeindizes bis zu 77. Die weitere Einführung eines zusätzlichen gelben Emittermaterials verbessert die Lichtausbeute auf Werte von 16.1 lm/W und die externe Quanteneffizient auf 5.9 %. Mit der Wahl eines voll-phosphoreszenten Ansatzes unter der Verwendung eines orange-roten, hellblauen und grünen Emittermaterials werden Lichtausbeuten von 21.7 lm/W und externe Quanteneffizienten von 8.5 % erzielt. Damit werden Farbkoordinaten von (x, y) = (0.41, 0.45) erreicht. Darüberhinaus zielt die Verwendung von verschiedenen kristallinen Deckschichten und alternativen Kathodenmaterialien auf eine Streuung des ausgekoppelten Lichts ab, was die Winkelabhängigkeit der Emission vermindern soll. Experimente mit dem kristallisierenden Material BPhen und dünnen Filmen aus Kohlenstoffnanoröhren werden dabei durchgeführt. Geheizte BPhen Deckschichten mit einer Schichtdicke von 250 nm zeigen eine geringere Farbverschiebung verglichen mit einer NPB Referenzdeckschicht. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als Kathode führt zu einer breitbandigen weißen Emission bei einer Kavitätsschichtdicke von 160 nm. Schließlich werden weiße top-emittierende organische Leuchtdioden erfolgreich auf Metallsubstraten prozessiert. Ein Vergleich von drei- und vierfarb-basierten hybriden Bauteilen zeigt ähnliche Leistungsmerkmale für Dioden auf Glas- und Metallsubstraten. Während wiederholten mechanischen Biegeexperimenten mit weißen Dioden auf 0.3 mm dicken flexiblen Alanodsubstraten können Biegeradien bis zu 1.0 cm ohne Bauteilausfall realisiert werden.