Umeå University's logo

We live in an artificially lit world, where light enhances our productivity and improves our quality of life. Today our appetite for light is stronger than ever, and emerging light-emitting technologies do not just replace the classical incandescent light bulb, they also open up for a new world of applications. The problem is that our environment does not cope with the increased energy demand during fabrication and usage, and the insufficient recycling that currently follows this rapid technological development. We must therefore adapt, and from here on out consider the entire environmental footprint and the necessity of our devices. Organic electronics has the potential to become sustainable. It allows for cheap and energy-efficient fabrication methods, using abundant materials, mainly carbon. Such sophisticated conductive plastics can be made thin and flexible, and they are thereby very versatile. It is in this context that we find the light-emitting electrochemical cell (LEC)—a strong contender for affordable and sustainable light. The LEC has a simple device design that is fit for solution based fabrication and new useful applications in, for example, medicine. The simple LEC design is enabled by its operational mechanism, where mobile ions aid electronic charge injection and improves electric conductivity by electrochemical doping. However, this dynamic nature complicates the attainment of devices that are efficient, bright, and retain a long lifetime. Herein, we face these challenges with sustainability as the beacon. We find that careful design of the active material, and selection of its constituents, can lead to LECs that are both efficient and bright. Importantly we show that this is attainable with entirely organic active materials, via thermally activated delayed fluorescence; thereby moving away from unsustainable phosphorescent emitters that contain problematic rare metals. With large-scale manufacturing in mind, we introduce a tool that identifies environmentally benign and functional solvents. Furthermore we design and validate a realistic optical model that unveils the common optical loss mechanisms in LECs. The insights gained guide the optical design of highly efficient LECs in the transition towards an upscaled production.I hope that the progress made will contribute to a road map for the design of sustainable light-emitting devices. It is then our responsibility, as a society, to make use of them where needed.

Vår värld är fylld av ljuskällor som bidrar till både vår livskvalitet och produktivitet. Idag är suget efter ljus större än någonsin, då nya ljuskällor inte bara ersätterde gamla, utan öppnar även upp för helt nya användningsområden. Problemet är att vår miljö inte klarar av den höga energiförbrukningen och bristfälliga återvinningen, som följer den ökade användningen. Vi måste därför anpassa oss, och se över det totala miljöavtrycket från både tillverkning och användning av våra produkter. En hållbar lösning kan vara organisk elektronik. Denna teknik möjliggör för billig och energieffektiv tillverkning, och baseras på vanligt förekommande ämnen, främst kol. Dessa elektriskt ledande plaster kan göras både tunna och böjbara och är därmed väldigt anpassningsbara. En så kallad ljusemitterande elektrokemisk cell (LEC) har en förhållandevis enkel konstrution. Den lämpar sig för energisnål tillverkning, och för nya användningsområden inom exempelvis medicin. En LECs enkla konstruktion är möjlig tack vare rörliga joner i det aktiva materialet. Jonerna möjliggör injektion av elektroniska laddningar till det aktiva materialet och förbättrar dess elektriska ledningsförmåga genom elektrokemisk dopning. Dynamiken i det aktiva materialet försvårar dock utvecklingen — det är svårt att få fram komponenter med hög effektivitet och ljusstyrka, som samtidigt har en lång livslängd. I denna avhandling tar vi oss an dessa utmaningar med hållbarhet som ledord. Vi visar att noggrant utvalda material, och design av det aktiva materialet, kan göra att en LEC blir både ljusstark och effektiv. Vi visar dessutom att detta inte kräver ohållbara fosforescerande material, som ofta innehåller problematiska ädelmetaller, utan att det är möjligt från helt organiska material via termiskt aktiverad fördröjd fluorescens. Framtidsbilden för en LEC är storskalig tillverkning, men för en sådan krävs också stora mängder lösningsmedel. Med detta i åtanke har vi skapat ett verktyg för att identifiera lämpliga miljövänliga lösningsmedel. Dessutom har vi utvecklat en realistiskoptisk beräkningsmodell med god experimentell överrensstämmelse. Modellen ger oss en bättre förståelse för de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket är viktigt för att bibehålla deras prestanda i övergången till storskalig tillverkning. Jag hoppas att vägen vi banat kommer skynda på utvecklingen av hållbara ljuskällor samt att vi alla tar vårat ansvar och ser till att de används på ett ansvarsfullt sätt.