This thesis focuses mainly on the techniques to achieve high-performance top-emitting OLEDs, regarding device efficiency and lifetime for both non-inverted and inverted structures. It is thus organized as follows: In Chapter 2, the basic physics of organic semiconductor materials are reviewed, including the electronic properties of organic semiconductor materials, molecular excitations and their electronic transitions etc., which are believed to be critical for understanding of the work. Then, the general device physics of OLEDs are reviewed in detail, which includes almost every important electrical and optical process involved in the device. Finally, techniques and methods used to improve the device performance are summarized, which includes electrical doping of charge carrier transport layers. In Chapter 3, all organic materials, experimental techniques, and characterization methods used in this study are briefly described. In the following Chapter 4, techniques that are used for device optimization of non-inverted top-emitting OLEDs are discussed. Also, the mechanism of light outcoupling enhancement by a capping layer is discussed there. In the last part of Chapter 4, the influence of the optical device structure on the intrinsic quantum yield of the emitters is studied. Chapter 5 is focused on inverted top-emitting OLEDs, which are believed to be better applicable with current mainstream n-type amorphous silicon thin film transistor (TFT) technology. In this Chapter, the organic/metal and metal/organic interfaces are investigated in detail and their influence on device performance is discussed. In Chapter 6, the degradation of top-emitting OLEDs is studied, with a focus on the influence of electrode material and electrode thickness on the lifetime of top-emitting devices.

This thesis focuses mainly on the techniques to achieve high-performance top-emitting OLEDs, regarding device efficiency and lifetime for both non-inverted and inverted structures. It is thus organized as follows: In Chapter 2, the basic physics of organic semiconductor materials are reviewed, including the electronic properties of organic semiconductor materials, molecular excitations and their electronic transitions etc., which are believed to be critical for understanding of the work. Then, the general device physics of OLEDs are reviewed in detail, which includes almost every important electrical and optical process involved in the device. Finally, techniques and methods used to improve the device performance are summarized, which includes electrical doping of charge carrier transport layers. In Chapter 3, all organic materials, experimental techniques, and characterization methods used in this study are briefly described. In the following Chapter 4, techniques that are used for device optimization of non-inverted top-emitting OLEDs are discussed. Also, the mechanism of light outcoupling enhancement by a capping layer is discussed there. In the last part of Chapter 4, the influence of the optical device structure on the intrinsic quantum yield of the emitters is studied. Chapter 5 is focused on inverted top-emitting OLEDs, which are believed to be better applicable with current mainstream n-type amorphous silicon thin film transistor (TFT) technology. In this Chapter, the organic/metal and metal/organic interfaces are investigated in detail and their influence on device performance is discussed. In Chapter 6, the degradation of top-emitting OLEDs is studied, with a focus on the influence of electrode material and electrode thickness on the lifetime of top-emitting devices.

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.

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.

Organic semiconducting materials have received a lot of attention in recent years and can now be found in many applications. One of the applications, the light emitting electrochemical cell (LEC) has emerged due to its flat and lightweight device structure, low operating voltage, and possibility to be fully solution processed. Today LECs can emit light of various colors, but to be applicable in the lighting industry, white light need to be produced in an efficient way. White light on the other hand, is one of the toughest "colors" to achieve in an efficient way, and is of particular interest in general lighting applications, where high color-rendering index devices are necessary. In this thesis I show that blue light can be partially converted, into white light, by utilizing the photoluminescence of color conversion layers (CCLs). Furthermore, I show that a high color-quality white light can be attained by adopting a blue-emitting LEC with a CCL. Particularly, three different color-conversion materials were embedded onto a blue bottom-emitting LEC, to study the resulting spectrum. One of the materials, MEH-PPV, have good absorption compatibility with the electroluminescence of the blue emitters, but the materials photoluminescence do not cover the red to deep-red range of the spectrum. These parts of the spectrum are necessary to obtain high color rendering indices (≥80). A single layer of MEH-PPV adapted onto a blue-emitting LEC, led to a cold white LEC with CIE-coordinates x = 0.29, and y = 0.36, color-rendering index = 71, and correlated color temperature = 7200 K. These properties makes it potentially useful in outdoor-lighting applications. The photoluminescence of another studied color-converting material, polymer red, covers the red to deep-red range of the spectrum but the material lacks absorption in the green parts of the blue emitters electroluminescence spectrum. Thus it is necessary to combine it with MEH-PPV to be able to absorb all wavelengths from the blue-emitter and get a broad light-spectrum out of the device. In order to preserve a part of the blue light, a new device configuration was designed. It features a top-emitting blue LEC with a dual-layer CCL which reach an impressive color rendering index = 89 at a correlated color temperature = 6400 K (CIE-coordinates x = 0.31, y = 0.33). The color-rendering index is the highest reported for a white LEC. The absence of UV-, and IR-radiation, together with the high color rendering properties make the white LEC a possible candidate for even the most demanding lighting-applications, such as art galleries, and shop display windows, together with indoor lighting. In this thesis, I show that the CCLs function well. However, for the LECs to be worthy competitors, the efficiency and lifetime of the blue emitter need improvements.