Abstimmung der Energieniveaus organischer Halbleiter

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Schwarze et al.: Impact of molecular quadrupole moments on the energy levels at organic heterojunctions, Nat. Commun. 10, 2466 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10435-2
• Optoelectronics (K. Leo), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, Technische Universität Dresden