Highly efficient light-emitting electrochemical cells

Resumen

El consumo eléctrico destinado a iluminación supone actualmente cerca del 20% de la producción energética a nivel mundial, de modo que es posible alcanzar un importante ahorro energético mediante el uso de sistemas de iluminación más eficientes. El desarrollo tecnológico permite hacer uso de aplicaciones más eficientes y novedosos en dicho campo. Los diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs) suponen una alternativa de futuro a los dispositivos emisores de luz actuales. El procesado de materiales orgánicos se adapta más fácilmente a nuevos diseños de dispositivos emisores de luz y es, a día de hoy, una realidad en pequeñas pantallas para dispositivos móviles o similares. Sin embargo, los OLEDs presentan serias limitaciones que aumentan el coste de fabricación del producto y los hacen no aptos para ser aplicados en sistemas de iluminación. Otros tipos de dispositivos basados en materiales orgánicos son las células electroquímicas emisoras de luz (LECs). Los LECs, presentan una estructura más simple compatible con procesos de fabricación de bajo coste. El peculiar mecanismo de operación de este tipo específico de dispositivo requiere la presencia de iones en su capa emisora y permite operar los dispositivos a bajos voltajes, lo que se traduce en un bajo consumo. Desde su descubrimiento, los materiales más empleados y eficientes han sido los complejos de metales de transición iónicos (iTMC-LECs). El trabajo científico ha permitido, a lo largo de varias décadas de investigación obtener prometedores resultados respecto a eficiencia, valores de luminancia y sobretodo estabilidad de los dispositivos. Actualmente, resulta imprescindible mejorar las prestaciones de los dispositivos LEC a fin de hacer la tecnología competitiva a nivel del mercado actual. Todo el trabajo presentado en esta tesis doctoral se centra en la mejorar la eficiencia de los dispositivos LEC mediante el aumento del rendimiento cuántico de emisión en estado sólido. Para ello, se adoptaron tres estrategias. En primer lugar, la funcionalización remota del ligando auxiliar de iTMC, permite modificar las características fotofísicas del complejo emisor y mejorar las prestaciones del dispositivo. Con esta idea en mente, partiendo de iTMCs previamente utilizados en LECs, se ha estudiado una serie de complejos que iridio (Ir-iTMCs) donde la presencia de distintos grupos sustituyentes afecta significativamente a las propiedades fotoluminiscentes y electroluminiscentes. Por un lado, se ha establecido un efecto negativo con la presencia de bromuros en la estructura del iTMC. Por otro lado, la funcionalización del ligando auxiliar con un grupo naftilo ha permitido mejorar la eficiencia del dispositivo. En segundo lugar, las mejores prestaciones en LECs se han obtenido empleando complejos de iridio catiónicos con hexafluorofosfato como anión. Debido a la típica ruta de síntesis establecida para dichos materiales, es habitual encontrar la presencia de iones cloruro como impureza. En esta tesis doctoral, se ha demostrado que la presencia de aniones cloruro a nivel de trazas afecta negativamente al funcionamiento del dispositivo basado en el complejo [Ir(ppy)2(bpy)][PF6], comprometiendo la eficiencia del mismo. Dicho efecto es consecuencia de una interacción especifica entre el anión cloruro y los protones externos del ligando bipiridina que se traduce en una pérdida del rendimiento cuántico de la capa delgada y por tanto en las prestaciones del dispositivo. En tercer y último lugar, se ha demostrado la posibilidad de usar sistemas host-guest en LECs. Esta estrategía ha sido ampliamente utilizada en OLEDs para evitar los procesos de quenching que limitan las eficiencias en procesos de electroluminiscencia. A pesar de que la estrategía ha sido aplicada anteriormente en LECs, el trabajo presentado aquí ha sido aplicado con éxito para la fabricación de LECs con emisión en luz azul, amarilla e infraroja con altos niveles de luminancia y eficiencia. Además de estos prometedores resultados, mediante esta estrategia se ha demostrado, por primera vez, la posibilidad utilizar moléculas orgánicas iónicas como único material activo en la preparación de LECs. Este hito, permite eliminar la dependencia de usar materiales basados en átomos pesados de baja abundancia (iridio) de elevado precio y ampliar el rango de materiales disponibles que pueden ser utilizados para aplicaciones en iluminación de bajo coste.