12.07.2019 • Photonik

Abstimmung der Energieniveaus organischer Halbleiter

Wirkung elektrostatischer Kräfte von molekularen Bausteinen auf Ladungsträger erklärt.

In elektronischen Bauteilen wie Solarzellen, Leuchtdioden, Photodetektoren und Transistoren, die auf organischen Halbleitern beruhen, sind elektronische Anregungen und Energieniveaus für den Ladungstransport wichtige Größen zum Verständnis ihrer Funktionsgrundlagen und ihrer Leistungsfähigkeit. Die Verteilung der Energieniveaus innerhalb solcher Bauteile ist jedoch deutlich schwieriger zugänglich als bei herkömmlichen anorganischen Halbleitern, wie es die klassischen Siliziumchips sind. Dies gilt sowohl für die Messung als auch für die kontrollierte Beeinflussung von außen. Wie elektronische Energien in organischen Halbleiterfilmen durch elektrostatische Kräfte eingestellt werden können, konnte jetzt ein Forscherteam um Martin Schwarze von der TU Dresden zeigen. Mit einer Reihe von Experimenten, die durch Simulationen unterstützt wurden, konnten die Wissenschaftler die Wirkung spezifischer elektrostatischer Kräfte, die von den molekularen Bausteinen auf Ladungsträger ausgeübt werden, erklären.

Abb.: Beispiele für Filmstrukturen, die für die Berechnung der... — Abb.: Beispiele für Filmstrukturen, die für die Berechnung der Ladung-Quadrupol-Wechselwirkungsenergie von kristallinen Schichten mit vertikaler (a) oder horizontaler (b) Molekül-Ausrichtung verwendet werden. Die Moleküle werden zur Veranschaulichung durch Scheiben dargestellt. (Bild: F. Ortmann, TU Dresden)

Ein Ansatz, um eine Abstimmung zu ermöglichen, nutzt die Coulomb-Wechselwirkungen, die zwischen allen elektrisch geladenen Teilchen auftreten und bei organischen Materialien stärker sind. Das Team hat untersucht, inwiefern das energetische Gefüge von den unterschiedlichen Ladungstransportniveaus und von Zuständen der Exzitonen abhängt. Exzitonen sind gebundene Paare eines Elektrons und eines Lochs, die im Halbleitermaterial durch Lichtabsorption gebildet werden. Diese Größen wurden in ihrem Verhältnis zur spezifischen Zusammensetzung der Mischsysteme und der molekularen Orientierung im organischen Material betrachtet. Von Mischsystemen sprechen die Wissenschaftler, wenn die Bauelemente aus Mischungen verschiedener organischer Halbleitermaterialien bestehen.

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Energie in organischen Filmen durch die Variation eines einzelnen molekularen Parameters, nämlich des molekularen Quadrupolmoments in Pi-Stapelrichtung der Moleküle, eingestellt werden kann. Ein elektrischer Quadrupol kann aus zwei positiven und zwei gleich starken negativen Ladungen bestehen, die zwei entgegengesetzt-gleiche Dipole bilden. Im einfachsten Fall befinden sich die vier Ladungen in alternierender Anordnung an den Ecken eines Quadrates. Die Wissenschaftler stellen außerdem eine Verknüpfung zwischen Bauelement-Parametern von organischen Solarzellen wie Photospannung oder Photostrom und diesem Quadrupolmoment her.

Die Ergebnisse helfen, die jüngsten Durchbrüche bei der Effizienz von Bauelementen in organischen Solarzellen zu erklären, die auf einer neuen Klasse organischer Materialien basieren. Da der beobachtete elektrostatische Effekt eine allgemeine Eigenschaft organischer Materialien ist, einschließlich kleiner Moleküle und Polymere, kann er dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit aller Arten organischer Bauelemente zu verbessern.

TU Dresden / RK