Accurate optical simulation of disordered scattering layers for light extraction from organic light emitting diodes

Diese Arbeit handelt von einer Methode zur umfassenden optischen Simulation von organischen Leuchtdioden (OLEDs) mit internen ungeordneten Streuschichten zur Lichtauskopplung.
Die Methode ist exakt in dem Sinne, dass sie die L\"osung der Maxwellgleichungen f\"ur Dipolstrahlung in einem planparallelen Schichtsystem mit mehreren Streupartikeln erm\"oglicht.
Dies wird durch die Entwicklung des gestreuten elektromagnetischen Feldes in Kugelvektorwellenfunktionen (zur effizienten Handhabung der Streuung an den einzelnen Partikeln) sowie in ebenen Wellen (zur Handhabung der Propagation des Lichtes durchs D\"unnschichtsystem) erreicht.
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Nach einer Einf\"uhrung zum Thema OLEDs mit einem besonderen Augenmerk auf Lichtauskopplung werden die relevanten Formeln f\"ur die Mehrfachstreuung in einem Formalismus von Anregung und Systemantwort hergeleitet. Auf diese Weise kann das Streuproblem in ein System von linearen Gleichungen \"uberf\"uhrt werden, das auf der Grundlage des T-Matrix Formalismus' die Berechnung der Streukoeffizienten erlaubt.

Es werden auch numerische Aspekte einer effizienten Aufstellung und L\"osung dieses Gleichungssystemes er\"ortert und Gleichungen, welche die Berechnung der interessanten Kenngr\"o\ss{}en erm\"oglichen, werden hergeleitet (elektrische Feldverteilung, dissipierte Leistung, Leistungsfluss durch Grenzfl\"achen, Fernfeld-Intensit\"atsverteilungen).

Die hier vorgestellte Simulationsmethode wurde auch in einer frei verf\"ugbaren Software (\emph{Smuthi}) implementiert. Die Programmstruktur von Smuthi wird skizziert, und die Korrektheit der Simulationsergebnisse wird durch einen Vergleich mit Finite-Elemente Rechnungen belegt.

Abschlie\ss{}end wird die Simulationsmethode an Hand einer praxisrelevanten Fallstudie illustriert. Hierzu wird eine wei\ss{}e OLED, deren Auskoppeleffizienz bereits durch Anpassen der Schichtdicken und der Lage der Emissionszonen optimiert worden ist, mit einer internen Streuschicht versehen und der erwartbare Zugewinn in der Lichtausbeute durch Simulationen berechnet.

Au\ss{}er der Lichtauskopplung aus OLEDs kann der hier pr\"asentierte theoretische Formalismus und die Software f\"ur zahlreiche andere Anwendungen genutzt werden, welche die Streuung von Licht an Partikeln in der N\"ahe von ebenen Grenzfl\"achen beinhalten.

This thesis presents a method for the comprehensive optical simulation of disordered scattering layers that can be used for light extraction in organic light emitting diodes (OLEDs).
The method is accurate in the sense that it solves Maxwell's equations for dipole emission into a plane parallel system of layers including multiple scattering particles.
To this end, the electromagnetic field is computed by means of an expansion in \emph{spherical waves} (to treat the scattering by the individual particles) as well as in \emph{plane waves} (for the propagation of the field through the OLED thin film system). ... mehr

After visiting the fundamentals of OLEDs and the issue of trapped light, the relevant multiple-scattering formulas are derived in an \emph{excitation-response} notation. They allow the formulation of the scattering problem in terms of a linear system of equations for the scattered field coefficients, featuring the so called \emph{T-matrix} to account for the scattering properties of the individual particles.

Numerical aspects of an efficient assembly and solution of the linear system are discussed, and formulas to process the solution further into the relevant figures of merit (electric field distribution, dissipated dipole power, power flux through surfaces, far field intensity distribution) are given.

The presented formalism has been implemented into a freely available software package, \emph{Smuthi}. The program structure is sketched and the validity of the implementation is demonstrated by a comparison to finite-elements calculations.

Finally, the simulation method is applied to a typical OLED light management scenario: it consists of a flat scattering layer integrated within a white OLED, whose planar layout and the location of the emission zones have been optimized beforehand to optimize the outcoupling efficiency. This way, a fair estimate for the gain in outcoupling efficiency through an internal scattering layer is provided.

It is noted that the range of possible use cases for the presented theoretical formalism and for the software package is not limited to light extraction from OLEDs, but includes many other applications that involve particles near planar interfaces.