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Charge transfer states at polymer solar cell interfaces : Insights from atomic-scale modeling / Laddningsöverföringstillstånd vid polymersolcellsgränssnitt : Inblick från modellering i atomskalaSvensson, Rickard January 2022 (has links)
Organic solar cells (OSCs) based on non-fullerene acceptors (NFAs) have attracted a great deal of attention in recent years due to their rapidly increasing efficiency and enormous potential. In this work, the optical and electronic properties of systems containing the very promising non-fullerene acceptor PYT have been thoroughly studied with the use of the density functional theory (DFT) and the time-dependent density functional theory (TDDFT). By changing the electron linker from thiophene to furan and selenophene, respectively, the PYT was divided into three variants, each of which was studied independently. In addition, these three systems were combined with the donor PBDB-T to generate two distinct interface conformations. The properties studied in this work include the optimized geometries, HOMO-LUMO levels, UV-Vis spectra, frontier molecular orbitals (FMOs), natural transition orbitals (NTOs), density of states (DOS), dipole moments, open-circuit voltages, exciton binding energies, and local exciton (LE) and charge transfer (CT) energies. The calculations were performed in chlorobenzene solution utilizing the polarizable continuum model (PCM). It was discovered that PBDB-T/PY-Se exhibited remarkable flatness employing the π-π stacking conformation which corresponds well with the excellent D/A compatibility observed experimentally. All interfaces displayed appropriate positioning of the HOMO-LUMO levels, with the acceptor dominating the LUMO and the donor dominating the HOMO, with HOMO-LUMO gaps ranging between 1.34 and 1.38 eV. The differences in the interchanging of the electron linker were not that significant, and neither was the change in interface conformation in terms of the HOMO-LUMO levels. This may indicate that the system can be effective even without the presence of a π-π stacking conformation. The first excited states for all interface systems were shown to be pure CT transitions, and on average, 80% of the states exhibit CT character. The remaining contributions consisted of transitions within the pure materials, with a larger contribution within the acceptor. The theoretical results of this study indicate that systems containing the novel polymer acceptor PYT and its variants PY-O and PY-Se exhibit very intriguing properties, and further development of OSCs containing these polymers might further aid in the development of high-performance OSCs. / Organiska solceller (OSC) baserade på icke-fullerenacceptorer (NFA) har väckt stor uppmärksamhet de senaste åren på grund av dess snabbt ökande effektivitet och enorma potential. I detta arbete har de optiska och elektroniska egenskaperna hos system innehållande den mycket lovande icke-fullerenacceptorn PYT studerats grundligt med användning av täthetsfunktionalteorin (DFT) och den tidsberoende täthetsfunktionalteorin (TDDFT). Genom att ändra elektronförbindelsen från tiofen till furan respektive selenofen så delades PYT upp i tre varianter som var och en studerades oberoende av varandra. Dessutom kombinerades dessa tre system med donatorn PBDB-T för att generera två distinkta gränssnittskonformationer. Egenskaperna som studeras i detta arbete inkluderar optimerade geometrier, HOMO-LUMO-nivåer, UV-vis spektra, gränsmolekylära orbitaler (FMO), naturliga övergångsorbitaler (NTO), tillståndstäthet (DOS), dipolmoment, tomgångsspänning, excitonbindningsenergi samt lokal exciton (LE) och laddningsöverförings (CT) energier. Beräkningarna utfördes i klorbensenlösning med användning av den polariserbara kontinuummodellen (PCM). I resultatet uppvisade PBDB-T/PY-Se en anmärkningsvärd planhet med användning av π-π staplingskonformationen som överensstämmer väl med den utmärkta D/A-kompatibiliteten som observerats experimentellt. Alla gränssnitt visade lämplig positionering av HOMO-LUMO-nivåerna, med acceptorn som dominerade LUMO och donatorn som dominerade HOMO, med HOMO-LUMO-gap mellan 1.34 och 1.38 eV. Skillnaderna i utbytet av elektronförbindelsen visade sig inte vara signifikanta och inte heller skillnaden i gränssnittskonformation när det gäller HOMO-LUMO-nivåerna. Detta kan indikera att systemet kan vara effektivt även utan förekomst av π-π staplingskonformation. De första exciterade tillstånden för alla gränssnittssystem visade sig vara rena CT-övergångar och i genomsnitt uppvisade 80% av tillstånden CT-karaktär. Resterande andel bestod av övergångar inom de rena materialen med en större andel inom acceptorn. De teoretiska resultaten av denna studie indikerar att system innehållande den nya polymeracceptorn PYT och dess varianter PY-O och PY-Se uppvisar mycket spännande egenskaper samt att vidareutveckling av OSC:er som innehåller dessa polymerer ytterligare kan hjälpa till i utvecklingen av högpresterande OSC:er.
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Synthèse de tétrazoles oxabicycliques, leurs transformations en une vaste diversité de composés hétérocycliques fonctionnalisés et étude en DFT de l’équilibre tétrazole-azidoazométhine avec des motifs de types benzo- et pyrido- diazidodiazinesDeschênes-Simard, Benoît 12 1900 (has links)
Les tétrazoles ont une place importante dans la chimie médicinale contemporaine par leurs caractéristiques spatiales et électroniques uniques. Leur haute teneur en azote leur confère également des qualités requises dans le développement de substances explosives et de haute énergie. Le développement de nouveaux outils synthétiques pour les créer prend donc ici tout son sens.
Dans cet ouvrage, il est tout d’abord question d’une nouvelle méthode de synthèse qui génère des tétrazoles bicycliques en conditions douces par l’entremise d’azidonitriles aliphatiques séparés par trois ou quatre atomes de carbone (effet de proximité) et d’acides de Lewis. De plus, cette méthode de synthèse présente une réaction tandem qui génère des tétrazoles oxabicycliques 1,5-dialkylés via une cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective à partir d’azidoacétals ou d’azidocétals arborant un azoture proximal. La réaction s’effectue dans le nitrométhane de 0 °C à la température ambiante avec du TMSCN et est promue par une variété d’acides de Lewis dont le BF3OEt2. Les aspects mécanistiques de la réaction (l’ouverture des acétals, l’équilibre entre les éthers de cyanhydrine, la cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective et le réarrangement de Boyer-Schmidt-Aubé) ainsi que les paramètres réactionnels (solvants, acides de Lewis, stœchiométrie, sources de cyanure, etc.) seront en outre abordés.
Ensuite, le motif de tétrazole oxabicyclique a été l’objet de diversifications, de fonctionnalisations et de transformations afin d’en valoriser l’utilité. Des réactions d’alkylations, d’azoturations radicalaires, de bêta-éliminations et de diversifications de la chaîne latérale ont été étudiées. De ces mêmes motifs de tétrazoles, la synthèse de tétrazoles azabicycliques et celle de morpholines 2,6-polysubstituées ont aussi été investiguées. La synthèse d’un sel de tétrazolium et l’alkylation de 5-tétrazolyllithiums ont aussi fait l’objet d’études préliminaires.
Enfin, une étude théorique en DFT a été effectuée pour mieux comprendre l’équilibre tétrazole-azidoazométhine sur des motifs de types benzo- et pyrido- diazidodiazines parents à la 6-azidotétrazolo[5,1-a]phthalazine, un métabolite toxique du Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, aussi actuellement connu sous le nom de Karenia brevis). Les aspects thermodynamiques, les états de transition, les orbitales HOMO, les cartes de potentiels d’ionisation locaux, les cartes de densité de la LUMO, les effets de solvant et certains paramètres permettant d’évaluer l’aromaticité (indices de Bird, ordres de liaison minimaux de Jug, indices HOMA et NICS) ont été considérés dans l’étude. Le constat a été que certaines des analyses théoriques peuvent constituer de bons outils prédictifs, particulièrement avec des considérations thermodynamiques, mais que cette approche a aussi ses limites qui sont principalement dues aux incertitudes inhérentes aux calculs théoriques. / Tetrazoles have an important place in contemporary medicinal chemistry due to their unique spatial and electronic characteristics. Their high nitrogen content also gives them the qualities required for the development of explosive and high energy substances. The development of new synthetic tools to create them takes here all its meaning.
Therefore, in this work, a new synthesis method that generates bicyclic tetrazoles under mild conditions using aliphatic azidonitriles separated by three or four carbon atoms (proximity effect) and Lewis acids will first be discussed. In addition, a tandem reaction which generates 1,5-dialkylated oxabicyclic tetrazoles via a diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition from azidoacetals or azidoketals bearing a proximal azide will also be disclosed. The reaction is carried out in nitromethane at 0 °C to room temperature with TMSCN and is promoted by a variety of Lewis acids including BF3OEt2. The mechanistic aspects of the reaction (acetal opening, equilibrium between cyanohydrin ethers, diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition and Boyer-Schmidt-Aubé rearrangement) as well as the reaction parameters (solvents, Lewis acids, stoichiometry, cyanide sources, etc.) will be discussed.
Furthermore, the oxabicyclic tetrazole unit was involved in diversifications, functionalizations and transformations to enhance its utility. Reactions of alkylations, radical azidations, beta-eliminations and diversifications of the side chain were applied. From these same tetrazole units, the synthesis of azabicyclic tetrazoles and that of 2,6-polysubstituted morpholines was also investigated. The synthesis of a tetrazolium salt and the alkylation of 5 tetrazolyllithiums were also the subject of preliminary studies.
Finally, a theoretical DFT study was carried out to have a better understanding of the tetrazole-azidoazomethine equilibrium on benzo- and pyrido- diazidodiazines similar to 6 azidotetrazolo [5,1-a] phthalazine, a toxic metabolite from Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, actually known as Karenia brevis). Thermodynamic aspects, transition states, HOMO orbitals, local ionization potential maps, LUMO density maps, solvent effects, and some parameters to evaluate the aromaticity (Bird index, Jug minimum bond order, HOMA index and NICS) were considered in the study. It has been noted that some of the theoretical analysis can be good predictive tools, particularly with thermodynamic considerations, but they also have their limits, which are mainly due to the uncertainties inherent in the theoretical calculations.
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ZnO nanoparticles : synthesis of Ga-doped ZnO, oxygen gas sensing and quantum chemical investigationHagelin, Alexander January 2011 (has links)
Doped ZnO nanoparticles were synthesized by three different methods – electrochemical deposition under oxidizing conditions (EDOC) , combustion method and wet chemical synthesis – for investigating the oxygen gas sensing response. Ga-doped ZnO was mostly synthesized but also In-doped ZnO was made. The samples were analyzed by XRD, SEM, EDX and TEM. Gas response curves are given alongside with Langmuir fitted curves and data for pure ZnO and Ga-doped ZnO. DFT quantum chemical investigation of cluster models ZnO nanoparticles were performed to evaluate defect effects and oxygen and nitrogen dioxide reactions with the ZnO surface. Defects were investigated by DOS and HOMO-LUMO plots , and are oxygen vacancy, zinc vacancy, zinc interstitial and gallium doping by replacing zinc with gallium. Oxygen and nitrogen dioxide reactions were investigated by computing Mulliken charges, bond lengths, DOS spectra and HOMO-LUMO plots.
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Charge transport and energy levels in organic semiconductors / Ladungstransport und Energieniveaus in organischen HalbleiternWidmer, Johannes 25 November 2014 (has links) (PDF)
Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design.
In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor.
For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary.
The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES).
These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices. / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung.
Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters.
Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist.
Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt.
Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.
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Charge transport and energy levels in organic semiconductorsWidmer, Johannes 02 October 2014 (has links)
Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design.
In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor.
For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary.
The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES).
These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices.:1. Introduction
2. Organic semiconductors and devices
2.1. Organic semiconductors
2.1.1. Conjugated π system
2.1.2. Small molecules and polymers
2.1.3. Disorder in amorphous materials
2.1.4. Polarons
2.1.5. Polaron hopping
2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level
2.1.7. Quasi-Fermi levels
2.1.8. Trap states
2.1.9. Doping
2.1.10. Excitons
2.2. Interfaces and blend layers
2.2.1. Interface dipoles
2.2.2. Energy level bending
2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction
2.2.4. Excitons at interfaces
2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors
2.3.1. Drift transport
2.3.2. Charge carrier mobility
2.3.3. Thermally activated transport
2.3.4. Diffusion transport
2.3.5. Drift-diffusion transport
2.3.6. Space-charge limited current
2.3.7. Recombination
2.4. Mobility measurement
2.4.1. SCLC and TCLC
2.4.2. Time of flight
2.4.3. Organic field effect transistors
2.4.4. CELIV
2.5. Organic solar cells
2.5.1. Exciton diffusion towards the interface
2.5.2. Dissociation of CT states
2.5.3. CT recombination
2.5.4. Flat and bulk heterojunction
2.5.5. Transport layers
2.5.6. Thin film optics
2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit
2.5.8. Solar cell efficiency
2.5.9. Limits of efficiency
2.5.10. Correct solar cell characterization
2.5.11. The \"O-Factor\"
3. Materials and experimental methods
3.1. Materials
3.2. Device fabrication and layout
3.2.1. Layer deposition
3.2.2. Encapsulation
3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer
3.2.4. Device layout
3.3. Characterization
3.3.1. Electrical characterization
3.3.2. Sample illumination
3.3.3. Temperature dependent characterization
3.3.4. UPS
4. Simulations
5.1. Design of single carrier devices
5.1.1. General design requirements
5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current
5.1.3. Ohmic regime
5.1.4. Design of injection and extraction layers
5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping
5.2.1. Potential mapping by thickness variation
5.2.2. Further evaluation of the transport profile
5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices
5.2.4. Majority carrier approximation
5.3. Proof of principle: POEM on simulated data
5.3.1. Constant mobility
5.3.2. Field dependent mobility
5.3.3. Field and charge density activated mobility
5.3.4. Conclusion
5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors
5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60
5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation
5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation
5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70
5.4.5. Hole transport in neat ZnPc
5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60
5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60
5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60
5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI
5.5. Summary and discussion of the results
5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends
5.5.2. DCV-5T-Me33:C60
5.5.3. Conclusion
6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature
6.1. ZnPc:C60 solar cells
6.1.1. Temperature variation
6.1.2. Illumination intensity variation
6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells
6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T)
6.2.2. Interpretation of Voc(I, T)
6.3. BHJ stoichiometry variation
6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer
6.3.2. V0 upon stoichiometry variation
6.3.3. Low donor content stoichiometry
6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation
6.4. Transport material variation
6.4.1. HTM variation
6.4.2. ETM variation
6.5. Donor:acceptor material variation
6.5.1. Donor variation
6.5.2. Acceptor variation
6.6. Conclusion
7. Summary and outlook
7.1. Summary
7.2. Outlook
A. Appendix
A.1. Energy pay-back of this thesis
A.2. Tables and registers / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung.
Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters.
Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist.
Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt.
Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.:1. Introduction
2. Organic semiconductors and devices
2.1. Organic semiconductors
2.1.1. Conjugated π system
2.1.2. Small molecules and polymers
2.1.3. Disorder in amorphous materials
2.1.4. Polarons
2.1.5. Polaron hopping
2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level
2.1.7. Quasi-Fermi levels
2.1.8. Trap states
2.1.9. Doping
2.1.10. Excitons
2.2. Interfaces and blend layers
2.2.1. Interface dipoles
2.2.2. Energy level bending
2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction
2.2.4. Excitons at interfaces
2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors
2.3.1. Drift transport
2.3.2. Charge carrier mobility
2.3.3. Thermally activated transport
2.3.4. Diffusion transport
2.3.5. Drift-diffusion transport
2.3.6. Space-charge limited current
2.3.7. Recombination
2.4. Mobility measurement
2.4.1. SCLC and TCLC
2.4.2. Time of flight
2.4.3. Organic field effect transistors
2.4.4. CELIV
2.5. Organic solar cells
2.5.1. Exciton diffusion towards the interface
2.5.2. Dissociation of CT states
2.5.3. CT recombination
2.5.4. Flat and bulk heterojunction
2.5.5. Transport layers
2.5.6. Thin film optics
2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit
2.5.8. Solar cell efficiency
2.5.9. Limits of efficiency
2.5.10. Correct solar cell characterization
2.5.11. The \"O-Factor\"
3. Materials and experimental methods
3.1. Materials
3.2. Device fabrication and layout
3.2.1. Layer deposition
3.2.2. Encapsulation
3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer
3.2.4. Device layout
3.3. Characterization
3.3.1. Electrical characterization
3.3.2. Sample illumination
3.3.3. Temperature dependent characterization
3.3.4. UPS
4. Simulations
5.1. Design of single carrier devices
5.1.1. General design requirements
5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current
5.1.3. Ohmic regime
5.1.4. Design of injection and extraction layers
5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping
5.2.1. Potential mapping by thickness variation
5.2.2. Further evaluation of the transport profile
5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices
5.2.4. Majority carrier approximation
5.3. Proof of principle: POEM on simulated data
5.3.1. Constant mobility
5.3.2. Field dependent mobility
5.3.3. Field and charge density activated mobility
5.3.4. Conclusion
5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors
5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60
5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation
5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation
5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70
5.4.5. Hole transport in neat ZnPc
5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60
5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60
5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60
5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI
5.5. Summary and discussion of the results
5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends
5.5.2. DCV-5T-Me33:C60
5.5.3. Conclusion
6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature
6.1. ZnPc:C60 solar cells
6.1.1. Temperature variation
6.1.2. Illumination intensity variation
6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells
6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T)
6.2.2. Interpretation of Voc(I, T)
6.3. BHJ stoichiometry variation
6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer
6.3.2. V0 upon stoichiometry variation
6.3.3. Low donor content stoichiometry
6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation
6.4. Transport material variation
6.4.1. HTM variation
6.4.2. ETM variation
6.5. Donor:acceptor material variation
6.5.1. Donor variation
6.5.2. Acceptor variation
6.6. Conclusion
7. Summary and outlook
7.1. Summary
7.2. Outlook
A. Appendix
A.1. Energy pay-back of this thesis
A.2. Tables and registers
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