Científicos han descubierto que las moléculas semiconductoras con electrones no apareados, denominados como “radicales”, pueden ser usados para fabricar OLEDs de alta eficiencia. Gracias a poder aprovechar sus propiedades relacionadas con la mecánica cuántica, estas moléculas pueden superar las limitaciones de eficiencia de los materiales tradicionales.
Los “radicales” (radicales libres) generalmente se caracterizan por alta reactividad química y son conocidos a nivel general por sus posibles efectos perjudiciales en las salud y en la capa de ozono. Ahora, investigadores de la Universidad de Cambridge y de la Universidad de Jilin están desarrollando un estudio sobre los OLEDs basados en radicales que pueden hacer de estos la base de la próxima generación de tecnologías de iluminación.
Los dispositivos emisores de luz hechos de materiales orgánicos (OLED) tienen importantes ventajas como su delgadez, flexibilidad, pudiéndose utilizar en multitud de aplicaciones como pantallas plegables y desarrollos más futuristas como ventanas que se pueden convertir en paneles de iluminación. Un problema que aún debe superarse para esta tecnología es su baja eficiencia, que generalmente está limitada por efectos mecánicos cuánticos, y que se cuantifica por la eficiencia cuántica externa (EQE). El desarrollo de estos nuevos OLEDs basados en radicales (ROLED) no tienen esta restricción, debido al estado electrónico de los radicales, y, según los autores de la investigación, se consigue la mayor eficiencia de emisión obtenida hasta ahora entre los LED que emiten luz en las regiones del color rojo oscuro e infrarrojo del espectro electromagnético.
Comprendiendo mejor cómo se determina la eficiencia de un OLED
Para comprender mejor lo que supone esta mejora de eficiencia vamos a explicar de forma breve cómo se cuantifica la eficiencia en esto dispositivos.
La eficiencia cuántica externa (EQE) se puede entender como la relación existente entre la cantidad de fotones que dejan el dispositivo y la cantidad de electrones que han sido inyectados. Esta es a su vez proporcional a dos factores: la eficiencia cuántica interna (IQE), que es la eficiencia con la que se generan los fotones en la capa emisora de luz de los electrones inyectados; y la eficiencia de acoplamiento de luz, que es la relación entre el número de fotones que salen del dispositivo y el número generado dentro de él. El valor de eficiencia de acoplamiento es típicamente de entorno al 20-30%. La mecánica cuántica dicta que el IQE de los OLED convencionales basados en moléculas fluorescentes se limita al 25%. El 75% restante de la eficiencia se pierde a través de vías de recombinación que no producen emisión de luz. Las EQE de dichos OLED son, por lo tanto, de 5 a 6% en el mejor de los casos.
En la actualidad se han establecido varios métodos para resolver este problema de eficiencia. Por ejemplo, el IQE del OLED se ha incrementado a casi el 100% mediante el uso de fósforo (en lugar de fluorescencia) como proceso de emisión de luz, o mediante el uso de mecanismos conocidos como fluorescencia retardada. El nuevo método utilizando moléculas de radicales orgánicos consiguen un mecanismo diferente de emisión de luz, que permiten IQE de casi el 100%.
Utilizando los radicales para llevar la eficiencia de los OLED a una nueva dimensión
Mientras que durante muchos años se pensó que casi todos los radicales estables no eran emisivos, radicales estables de emisión de luz han estado disponibles desde hace más de una decada. La nueva investigación va un paso más allá para la evolución de los ROLED desarrollando dos radicales estables que al hacer pasar la electricidad por ellos se consigue obtener una luz brillante de un color rojo intenso (710 nm) con una eficiencia IQE cercana al 100%, y una EQE del 27%.
“En realidad, los radicales en los OLED no deberían funcionar, lo que hace que nuestros resultados sean tan sorprendentes. Los radicales mismos son inusualmente emisivos, y operan en los OLED con una física inusual”, explica el Dr. Emrys Evans, coautor de la investigación que trabaja en el grupo del profesor Sir Richard Friend en el Laboratorio Cavendish.
Pese a la espectacular eficiencia conseguida por los investigadores, la gama de colores que emiten estos ROLED es muy limitada. Esto se debe a que solo se han identificado un pequeño número de radicales emisores de luz estables, y solo aquellos que tienen un tipo particular de estructura química producen EQE altas. Además, las características electrónicas de los radicales emisores de luz sugieren que estas moléculas no serán buenas para emitir luz azul (alta energía). En el futuro podrían desarrollarse diodos eficientes basados en radicales de luz azul y verde con una mayor investigación e innovación de materiales. Los investigadores están trabajando en la explotación de radicales más allá de las aplicaciones de iluminación, y esperan que los radicales impacten otras ramas de la investigación de electrónica orgánica.
