The developement of a femtosecond-time-resolved spectroscopic ellipsometry setup based on a pump-probe technique is described. The characterization of the setup is presented as well as first results of experiments on a c-plane oriented ZnO thin film are shown. Indications for the study of fast charge-carrier dynamics are given.:Introduction 1 1 Theoretical framework 3 1.1 Zinc oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Crystal and band structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Dielectric function and electronic transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Electronic transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Dielectric function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Charge carrier dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.1 High excitation effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.2 Charge carrier density-dependent dielectric function model . . . . 9 1.4 Light polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Preliminary experiments 14 2.1 Methods and instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Experimental challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 Time-integrated micro-ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Time-resolved ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3 Conclusive experiments at ELI Beamlines 35 3.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3 Demonstration of functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.1 Time-resolved reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Time-resolved ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Results and discussion 55 4.1 Time-resolved reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2 Time-resolved ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5 Summary and outlook 63

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19007号 / 工博第4049号 / 新制||工||1623(附属図書館) / 31958 / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 伊藤 紳三郎, 教授 赤木 和夫, 教授 辻井 敬亘 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

In this work, we elucidated recombination kinetics in organic and hybrid semiconductors by steady-state and time-resolved PL spectroscopy. Using these simple and very flexible experimental techniques, we probed the infrared emission from recombining free charge carriers in metal–halide perovskites, as well as the deep blue luminescence from intramolecular charge-transfer states in novel OLED emitters. We showed that similar state diagrams and kinetic models accurately describe the dynamics of excited species in these very different material systems. In Chapters 4 and 5, we focused on lead iodide perovskites (MAPI and FAPI), whose comparatively developed deposition techniques suited the systematic material research. In MAPI, we harnessed the anomalous dependence of transient PL on the laser repetition rate in order to investigate the role of interfaces with the commonly used charge-selective layers: PC60BM, spiro-MeOTAD, and P3HT. The film was deposited on a large precut substrate and separated into several parts, which were then covered with the charge-selective layers. Thereby, the same bulk perovskite structure was maintained for all samples. Consequently, we were able to isolate interface-affected and bulk carrier recombination. The first one dominated the fast component of PL decay up to 300 ns, whereas the last was assigned to the remaining slow component. The laser repetition rate significantly prolonged PL decay in MAPI with additional interfaces while shortening the charge carrier lifetime in the pristine film. We qualitatively explained this effect by a kinetic model that included radiative electron–hole recombination and nonradiative trap-assisted recombination. All in all, we showed that the apparent PL lifetime in MAPI is to large extend defined by the laser repetition rate and by the adjacent interfaces. Further, we studied photon recycling in MAPI and FAPI. We monitored how the microscopic PL transforms while propagating through the thin perovskite film. The emission was recorded within 5orders of magnitude in intensity up to 70μm away from the excitation spot. The Beer–Lambert law previously failed to describe the complex interplay of the intrinsic PL spectrum and the additional red-shifted peak. Therefore, we developed a general numerical model that accounts for self-absorption and diffusion of the secondary charge carriers. A simulation based on this model showed excellent agreement with the experimental spatially resolved PL maps. The proposed model can be applied to any perovskite film, because it uses easily measurable intrinsic PL spectrum and macroscopic absorption coefficient as seeding parameters. In Chapter 6, we conducted an extensive photophysical study of a novel compact deep blue OLED emitter, SBABz4, containing spiro-biacridine and benzonitrile units. We also considered its single-donor monomer counterpart, DMABz4, in order to highlight the structure–property relationships. Both compounds exhibited thermally activated delayed fluorescence (TADF), which was independently proven by oxygen quenching and temperature-dependent transient PL measurements. The spiro-linkage in the double-donor core of SBABz4 rendered its luminescence pure blue compared to the blue-green emission from the single-donor DMABz4. Thus, the core-donor provided desirable color tuning in the deep blue region, as opposed to the common TADF molecular design with core-acceptor. Using PL lifetimes and efficiencies, we predicted EQEmax = 7.1% for SBABz4-based OLED, whereas a real test device showed EQEmax = 6.8%. Transient PL was recorded from the solutions and solid films in the unprecedentedly broad dynamic range covering up to 6orders of magnitude in time and 8orders of magnitude in intensity. The stretched exponent was shown to fit the transient PL in the films very well, whereas PL decay in dilute solution was found purely exponential. When the emitter was embedded in the host matrix that prevented aggregation, its TADF properties were superior in comparison with the pure SBABz4 film. Finally, using temperature-dependent transient PL data, we calculated the TADF activation energy of 70 meV. To sum up, this Thesis contributes to the two fascinating topics of the last decade’s material research: perovskite absorbers for photovoltaics and TADF emitters for OLEDs. We were lucky to work with the emerging systems and tailor for them new models out of the well-known physical concepts. This was both exciting and challenging. In the end, science of novel materials is always a mess. We hope that we brought there a bit of clarity and light. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden Rekombinationsmechanismen in organischen und hybriden Halbleitern mittels statischer und zeitaufgelöster Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Diese einfachen und flexiblen experimentellen Methoden erlaubten es, sowohl die infrarote Emission rekombinierender freier Ladungsträger in Perowskiten als auch die blaue Lumineszenz intramolekularer Ladungstransferzustände in neuartigen OLED-Emittern zu erforschen. Es wurde gezeigt, dass das Verhalten angeregter Ladungsträger in sehr unterschiedlichen Materialsystemen durch vergleichbare Zustandsdiagramme und kinetische Modelle beschrieben werden kann. Kapitel 4 und 5 legen den Fokus auf Bleiiodid-Perowskite (MAPI und FAPI), deren vergleichsweise etablierte Herstellungsmethode systematische Untersuchungen erlaubt. In MAPI wurde die anomale Abhängigkeit transienter PL von der Repetitionsrate des Lasers verwendet, um die Bedeutung der Grenzflächen zwischen Perowskitschicht und den gängigsten ladungsselektiven Schichten PC60BM, spiro-MeOTAD und P3HT zu untersuchen. Dafür wurde die Perowskitschicht auf ein Substrat aufgebracht, dieses in mehrere gleiche Stücke geteilt und anschließend mit einer jeweils unterschiedlichen ladungsselektiven Schicht bedeckt. Dies sicherte die Vergleichbarkeit der aktiven Schicht der verschiedenen Proben. Durch diesen Ansatz konnten der Einfluss des aktiven Materials als auch der seiner Grenzflächen auf die Ladungsträgerrekombination getrennt beobachtet werden. Ersterer dominierte den schnellen Anteil des PL-Abfalls, letzterer den langsamen Anteil. Die Repetitionsrate des Lasers verlangsamte den PL-Abfall in MAPI-Filmen mit zusätzlichen Grenzflächen signifikant, während sie die Lebensdauer der Ladungsträger in reinen MAPI- Filmen verkürzte. Dieser Effekt konnte durch ein qualitatives Modell erklärt werden, welches strahlende Elektron–Loch-Rekombination sowie nichtstrahlende Rekombination über Ladungsträgerfallen miteinbezieht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die PL- Lebensdauer in MAPI stark von der Laserrepetitionsrate sowie von Grenzflächeneffekten abhängig ist. Des Weiteren wurde der Photon-Recycling-Effekt in MAPI und FAPI untersucht. Dafür wurde verfolgt, wie sich die lokale PL mit ihrer Ausbreitung durch den dünnen Perowskitfilm verändert. Die Emission konnte bis zu 70 μm entfernt von der Anregung gemessen werden, bei einer Abnahme der Intensität um fünf Größenordnungen. Mit reiner Anwendung des Lambert–Beer’sches Gesetzes konnte das auftretende komplexe Zusammenspiel des ursprünglichen Spektrums mit einer zusätzlichen rotverschobenen Emission nicht erklärt werden. Deshalb wurde ein allgemeines numerisches Modell entwickelt, das sowohl Selbstabsorption als auch die Diffusion sekundärer Ladungsträger berücksichtigt. Entsprechende Simulationen zeigten hervorragende Übereinstimmung mit räumlich aufgelösten experimentellen PL-Messungen. Das Modell kann auf jeden Perwoskitfilm angewendet werden, da die nötigen Parameter auf dem einfach messbaren intrinsischen PL- Spektrum und dem makroskopischen Absorptionskoeffizienten des jeweiligen Films beruhen. In Kapitel6 wird die umfangreiche photophysikalische Untersuchung eines neuartigen kompakten blauen OLED-Emitters, SBABz4, welcher Spiro-Biacridine und Benzonitril-Einheiten enthält, beschrieben. Auch sein Gegenstück DMABz4, als einfacher Donator, wurde betrachtet, um Zusammenhänge zwischen Struktur und Materialeigenschaften hervorzuheben. Beide Verbindungen zeigten thermisch-aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF), welche unabhängig voneinander sowohl durch Sauerstoff- Fluoreszenzlöschung als auch durch temperaturabhängige transiente PL-Messungen nachgewiesen wurde. Die Spiro-Bindung im Inneren des zweifachen Donators SBABz4 führten zu einer, im Vergleich zur blaugrünen Emission des einfachen Donators DMABz4, reinen blauen Lumineszenz. Im Gegensatz zum Aufbau üblicher TADF-Molekülen mit zentralem Akzeptor, erlaubt in diesem Fall der zentrale Donator also die gewünschte Farbeinstellung im tiefblauen Bereich. Mit Hilfe von PL-Lebensdauern und -Effizienzen wurde eine EQEmax von 7.1% für SBABz4-basierte OLEDs abgeschätzt, während ein reales Testexemplar eine EQEmax von 6.8% aufzeigte. Transiente PL wurde für Lösungen sowie für feste Filme in einem beispiellos großen, dynamischen Bereich von sechs Größenordnungen in Zeit und acht Größenordnungen in Intensität aufgenommen. Die transiente PL der Filme lässt sich gut durch eine gestreckte Exponentialfunktion anpassen, während der PL-Abfall der Lösung rein exponentiell verläuft. Die Einbettung des Emitters in der Gast-Matrix, die Aggregieren verhinderte, führten zu gegenüber dem reinen SBABz4-Film überlegenen TADF- Eigenschaften. Zuletzt wurde die TADF Aktivierungsenergie von 70 meV unter alleiniger Verwendung der temperaturabhängigen transienten PL berechnet. Zusammengefasst steuert diese Doktorarbeit einen Beitrag zu zwei der faszinierendsten Themen der Materialforschung des letzten Jahrzehnts bei: Perowskitabsorbern für die Photovoltaik und TADF-Emittern für OLEDs. Diese Arbeit erlaubte es mit aufkommenden Systemen zu arbeiten und neue Modelle aus bekannten physikalischen Konzepten für sie zu entwickeln. Dies war sowohl spannend als auch anspruchsvoll. Letztlich ist Forschung an neuartigen Materialien immer ein großes Durcheinander. Hoffentlich konnte durch diese Arbeit jedoch ein wenig mehr Klarheit geschaffen werden.

No description available.

This study seeks to evaluate the temperature effects on the electronic properties of thermoelectric materials, using first principles Density Functional Theory (DFT) calculations by incorporating the temperature effects on structural properties of the material. Using the electronic properties attained, the charge carrier scattering relaxation times were determined. The effect of interface between PbTe and SrTe on the charge carrier mobility was studied by finding out the relative alignment of energy bands at the semiconductor heterojunction. The crystal shape of the SrTe precipitates in the PbTe host matrix was evaluated from the interface energies using the Wulffman construction. We also attempted to develop a relation between the interface energies and electronic band alignment for different interface orientations. In this research, we incorporated the temperature effects on the structural properties of PbTe to get the temperature dependence of electronic properties like energy bandgap and effective masses of charge carriers. We used the values of bandgap and effective masses to determine the charge carrier scattering relaxation time at different temperatures which is used in evaluating the transport properties of thermoelectric materials like the Seebeck coefficient and electrical conductivity. / Master of Science

Electronic circuits comprising organic semiconductor thin-films are part of promising technologies for a renewable power generation and an energy-efficient information technology. Whereas TV and mobile phone applications of organic light emitting diodes (OLEDs) got ready for the market awhile ago, organic photovoltaics still lack in power conversion efficiencies, especially in relation to their current fabrication costs. A major reason for the low efficiencies are losses due to the large number of charge carrier traps in organic semiconductors as compared to silicon. It is the aim of this thesis to identify and quantify charge carrier traps in vacuum-deposited organic semiconductor thin-films and comprehend the reasons for the trap formation. For that, the techniques impedance spectroscopy (IS), thermally stimulated currents (TSC), and photoelectron spectroscopy are utilized. In order to assess the absolute energy of charge carrier traps, the charge carrier transport levels are computed for various hole transport materials such as MeO-TPD, pentacene, and ZnPc. Unlike inorganics, organic semiconductors possess in first-order approximation Gaussian distributed densities of states and temperaturedependent transport levels. The latter shift by up to 300 meV towards the energy gap-mid when changing from room temperature to 10 K as it is done for TSC examinations. The frequency-dependent capacitance response of charge carrier traps in organic Schottky diodes of pentacene and ZnPc are studied via impedance spectroscopy. In undoped systems, deep traps with depths of approx. 0.6 eV and densities in the order of 1016...1017 cm−3 are prevailing. For pentacene, the deep trap density is reduced when the material undergoes an additional purification step. Utilizing p-doping, the Fermi level is tuned in a way that deep traps are saturated. Vice versa, the freeze-out of p-doped ZnPc provides further insight into the influence of trap-filling, impurity saturation and reserve on the Fermi level position in organic semiconductors. Furthermore, charge carrier traps are investigated via thermally stimulated currents. It is shown that the trap depths are obtained correctly only if the dispersive transport of the released charge carriers until their extraction is considered. For the first time, the polarity of charge carrier traps in MeO-TPD, ZnPc, and m-MTDATA is identified from TSC’s differences in release time when spacer layers are introduced in the TSC samples. Simultaneously, tiny hole mobilities in the order of 10−13 cm2 Vs−1 are detected for low-temperature thin-films of the hole transporter material Spiro-TTB. It is shown for Spiro-TTB co-evaporated with the acceptor molecule F6-TCNNQ and a p-doped ZnPc:C60 absorber blend that the doping process creates shallow trap levels. Finally, various organic hole transport materials are examined upon their stability in water and oxygen atmosphere during sample fabrication and storage of the organic electronics. In case of pentacene, ZnPc, MeO-TPD, and m-MTDATA, hole traps are already present in unexposed thin-films, which increase in trap density upon oxygen exposure. A global trap level caused by oxygen impurities is found at energies of 4.7...4.8 eV that is detrimental to hole transport in organic semiconductors. / Elektronische Bauelemente aus Dünnschichten organischer Halbleiter sind Teil möglicher Schlüsseltechnologien zur regenerativen Energiegewinnung und energieeffizienten Informationstechnik. Während Fernseh- und Mobilfunkanwendungen organischer Leuchtdioden (OLEDs) bereits vor einiger Zeit Marktreife erlangt haben, ist die organische Photovoltaik (OPV) noch durch zu hohe Fertigungskosten in Relation zu unzureichenden Effizienzen unrentabel. Ein wesentlicher Grund für die niedrigen Wirkungsgrade sind Verluste durch die im Vergleich zu Silizium hohe Zahl an Ladungsträgerfallen in organischen Halbleitern. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels Impedanz-Spektroskopie (IS), thermisch stimulierten Strömen (TSC) und Photoelektronenspektroskopie methodenübergreifend Ladungsträgerfallen in vakuumverdampften organischen Dünnschichten zu identifizieren, zu quantifizieren und ihre Ursachen zu ergründen. Um die Energie von Ladungsträgerfallen absolut beziffern zu können, wird zunächst für verschiedene Lochtransportmaterialien wie z.B. MeO-TPD, Pentazen und ZnPc die Transportenergie aus den in erster Ordnung gaußförmigen Zustandsdichten berechnet. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern ist die Transportenergie in organischen Halbleitern temperaturabhängig. Sie verschiebt sich beim Übergang von Raumtemperatur zu 10 K, wie für TSC Untersuchungen bedeutsam, um bis zu 300 meV in Richtung der Bandlückenmitte. Mittels Impedanz-Spektroskopie wird die frequenzabhängige Kapazitätsantwort von Ladungsträgerfallen in organischen Schottky-Dioden aus Pentazen und ZnPc untersucht. In undotierten Systemen dominieren Defekte mit Tiefen um 0.6 eV, deren Dichte in der Größenordnung von 1016...1017 cm−3 liegt, sich aber im Fall von Pentazen durch einen zusätzlichen Materialaufreinigungsschritt halbieren lässt. Über p-Dotierung wird das Fermi-Level so eingestellt, dass tiefe Fallen abgesättigt werden können. Umgekehrt liefert das Ausfrieren von p-dotiertem ZnPc weitere Belege für den Einfluss von Fallenzuständen, Störstellen-Erschöpfung und Reserve auf das Fermi-Level in dotierten organischen Halbleitern. Im Weiteren werden Ladungsträgerfallen über thermisch stimulierte Ströme untersucht. Es wird gezeigt, dass die Fallentiefen nur dann konsistent bestimmt werden, wenn der dispersive Transport von freigesetzten Ladungsträgern zur Extraktionsstelle berücksichtigt wird. Durch Einführung von ’Abstandshalterschichten’ werden erstmalig über TSC die Polaritäten von Ladungsträgerfallen in MeO-TPD, ZnPc und m-MTDATA per Laufzeitunterschied bestimmt. Gleichzeitig werden geringste Löcherbeweglichkeiten in der Größenordnung von 10−13 cm2 Vs−1 für stark gekühlte Dünnschichten des Lochtransporters Spiro-TTB gemessen. Wie für Spiro-TTB koverdampft mit dem Akzeptormolekül F6-TCNNQ und p-dotierte Mischschichten der Absorbermaterialien ZnPc und C60 gezeigt, erzeugt Dotierung relativ flache Störstellen. Abschließend werden verschiedene organische Lochtransporter-Materialien auf ihre Stabilität in Wasser- und Sauerstoffatmosphären während der Prozessierung und der Lagerung fertiger elektronischer Bauelemente untersucht. Für Pentazen, ZnPc, MeO-TPD und m-MTDATA werden Löcherfallen in intrinsischen Dünnschichten nachgewiesen. Bei Kontakt mit Sauerstoff nimmt deren Defektdichte zu. Es findet sich ein universales Fallenniveau bei rund 4.7...4.8 eV, verursacht durch Sauerstoffverunreinigungen, welches den Lochtransport in organischen Halbleitern limitiert.

Electronic circuits comprising organic semiconductor thin-films are part of promising technologies for a renewable power generation and an energy-efficient information technology. Whereas TV and mobile phone applications of organic light emitting diodes (OLEDs) got ready for the market awhile ago, organic photovoltaics still lack in power conversion efficiencies, especially in relation to their current fabrication costs. A major reason for the low efficiencies are losses due to the large number of charge carrier traps in organic semiconductors as compared to silicon. It is the aim of this thesis to identify and quantify charge carrier traps in vacuum-deposited organic semiconductor thin-films and comprehend the reasons for the trap formation. For that, the techniques impedance spectroscopy (IS), thermally stimulated currents (TSC), and photoelectron spectroscopy are utilized. In order to assess the absolute energy of charge carrier traps, the charge carrier transport levels are computed for various hole transport materials such as MeO-TPD, pentacene, and ZnPc. Unlike inorganics, organic semiconductors possess in first-order approximation Gaussian distributed densities of states and temperaturedependent transport levels. The latter shift by up to 300 meV towards the energy gap-mid when changing from room temperature to 10 K as it is done for TSC examinations. The frequency-dependent capacitance response of charge carrier traps in organic Schottky diodes of pentacene and ZnPc are studied via impedance spectroscopy. In undoped systems, deep traps with depths of approx. 0.6 eV and densities in the order of 1016...1017 cm−3 are prevailing. For pentacene, the deep trap density is reduced when the material undergoes an additional purification step. Utilizing p-doping, the Fermi level is tuned in a way that deep traps are saturated. Vice versa, the freeze-out of p-doped ZnPc provides further insight into the influence of trap-filling, impurity saturation and reserve on the Fermi level position in organic semiconductors. Furthermore, charge carrier traps are investigated via thermally stimulated currents. It is shown that the trap depths are obtained correctly only if the dispersive transport of the released charge carriers until their extraction is considered. For the first time, the polarity of charge carrier traps in MeO-TPD, ZnPc, and m-MTDATA is identified from TSC’s differences in release time when spacer layers are introduced in the TSC samples. Simultaneously, tiny hole mobilities in the order of 10−13 cm2 Vs−1 are detected for low-temperature thin-films of the hole transporter material Spiro-TTB. It is shown for Spiro-TTB co-evaporated with the acceptor molecule F6-TCNNQ and a p-doped ZnPc:C60 absorber blend that the doping process creates shallow trap levels. Finally, various organic hole transport materials are examined upon their stability in water and oxygen atmosphere during sample fabrication and storage of the organic electronics. In case of pentacene, ZnPc, MeO-TPD, and m-MTDATA, hole traps are already present in unexposed thin-films, which increase in trap density upon oxygen exposure. A global trap level caused by oxygen impurities is found at energies of 4.7...4.8 eV that is detrimental to hole transport in organic semiconductors. / Elektronische Bauelemente aus Dünnschichten organischer Halbleiter sind Teil möglicher Schlüsseltechnologien zur regenerativen Energiegewinnung und energieeffizienten Informationstechnik. Während Fernseh- und Mobilfunkanwendungen organischer Leuchtdioden (OLEDs) bereits vor einiger Zeit Marktreife erlangt haben, ist die organische Photovoltaik (OPV) noch durch zu hohe Fertigungskosten in Relation zu unzureichenden Effizienzen unrentabel. Ein wesentlicher Grund für die niedrigen Wirkungsgrade sind Verluste durch die im Vergleich zu Silizium hohe Zahl an Ladungsträgerfallen in organischen Halbleitern. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels Impedanz-Spektroskopie (IS), thermisch stimulierten Strömen (TSC) und Photoelektronenspektroskopie methodenübergreifend Ladungsträgerfallen in vakuumverdampften organischen Dünnschichten zu identifizieren, zu quantifizieren und ihre Ursachen zu ergründen. Um die Energie von Ladungsträgerfallen absolut beziffern zu können, wird zunächst für verschiedene Lochtransportmaterialien wie z.B. MeO-TPD, Pentazen und ZnPc die Transportenergie aus den in erster Ordnung gaußförmigen Zustandsdichten berechnet. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern ist die Transportenergie in organischen Halbleitern temperaturabhängig. Sie verschiebt sich beim Übergang von Raumtemperatur zu 10 K, wie für TSC Untersuchungen bedeutsam, um bis zu 300 meV in Richtung der Bandlückenmitte. Mittels Impedanz-Spektroskopie wird die frequenzabhängige Kapazitätsantwort von Ladungsträgerfallen in organischen Schottky-Dioden aus Pentazen und ZnPc untersucht. In undotierten Systemen dominieren Defekte mit Tiefen um 0.6 eV, deren Dichte in der Größenordnung von 1016...1017 cm−3 liegt, sich aber im Fall von Pentazen durch einen zusätzlichen Materialaufreinigungsschritt halbieren lässt. Über p-Dotierung wird das Fermi-Level so eingestellt, dass tiefe Fallen abgesättigt werden können. Umgekehrt liefert das Ausfrieren von p-dotiertem ZnPc weitere Belege für den Einfluss von Fallenzuständen, Störstellen-Erschöpfung und Reserve auf das Fermi-Level in dotierten organischen Halbleitern. Im Weiteren werden Ladungsträgerfallen über thermisch stimulierte Ströme untersucht. Es wird gezeigt, dass die Fallentiefen nur dann konsistent bestimmt werden, wenn der dispersive Transport von freigesetzten Ladungsträgern zur Extraktionsstelle berücksichtigt wird. Durch Einführung von ’Abstandshalterschichten’ werden erstmalig über TSC die Polaritäten von Ladungsträgerfallen in MeO-TPD, ZnPc und m-MTDATA per Laufzeitunterschied bestimmt. Gleichzeitig werden geringste Löcherbeweglichkeiten in der Größenordnung von 10−13 cm2 Vs−1 für stark gekühlte Dünnschichten des Lochtransporters Spiro-TTB gemessen. Wie für Spiro-TTB koverdampft mit dem Akzeptormolekül F6-TCNNQ und p-dotierte Mischschichten der Absorbermaterialien ZnPc und C60 gezeigt, erzeugt Dotierung relativ flache Störstellen. Abschließend werden verschiedene organische Lochtransporter-Materialien auf ihre Stabilität in Wasser- und Sauerstoffatmosphären während der Prozessierung und der Lagerung fertiger elektronischer Bauelemente untersucht. Für Pentazen, ZnPc, MeO-TPD und m-MTDATA werden Löcherfallen in intrinsischen Dünnschichten nachgewiesen. Bei Kontakt mit Sauerstoff nimmt deren Defektdichte zu. Es findet sich ein universales Fallenniveau bei rund 4.7...4.8 eV, verursacht durch Sauerstoffverunreinigungen, welches den Lochtransport in organischen Halbleitern limitiert.

This thesis is about the development and validation of a numerical model for the simulation of the current-voltage characteristics of organic thin-film devices. The focus is on the analysis of a white organic light-emitting diode (OLED) with fluorescent blue and phosphorescent red and green emitters. The simulation model describes the charge transport as a one-dimensional drift-diffusion current and is developed on the basis of the Scharfetter-Gummel method. It incorporates modern theories for the charge transport in disordered organic materials, which are considered by means of special functions for the diffusion coefficient and the charge-carrier mobility. The algorithm is designed such that it can switch between different models for mobility and calculates both transient and steady-state solutions. In the analysis of the OLED, electron and hole transport are investigated separately in series of single-carrier devices. These test devices incorporate parts of the layers in the OLED between symmetrically arranged injection layers that are electrically doped. Thereby, the OLED layer sequence is reconstructed step by step. The analysis of the test devices allows to obtain the numerous parameters which are required for the simulation of the complete OLED and reveals many interesting features of the OLED. For instance, it is shown how the accumulation of charge carriers in front of an interface barrier increases the mobility and the transfer rate across the interface. Furthermore, it is demonstrated how to identify charge-trapping states. This leads to the detection of deep trap states in the emission zone of the OLED -- an interesting aspect, since these states can function as recombination centers and may cause non-radiative losses. Moreover, various other effects such as interface dipoles and a slight freeze-out of active electric dopants in the injection layers are observed. In the simulations of the numerous test devices, the parameters are consistently applied. Thereby, the agreement between simulation and experiment is excellent, which demonstrates the correctness and applicability of the developed model. Finally, the complete OLED is successfully simulated on the basis of the parameters that have been obtained in the analysis of the single-carrier devices. The simulation of the OLED illustrates the transport levels of electrons and holes, and proofs that the OLED efficiency is low because of non-radiative recombination in the interlayer between the phosphorescent and fluorescent emission zones. In this context, many interesting issues are discussed, e.g. the applicability of the Langevin model in combination with the mobility models for the description of recombination and the relevance of interactions between free charge carriers and excitons.

In this thesis, we investigate the nature of charge carrier generation, relaxation and recombination in a range of lead halide perovskites. We focus on understanding whether the photophysical behaviour of these perovskite materials is like that of highly-ordered inorganic crystalline semiconductors (exhibiting ballistic charge transport) or disordered molecular semiconductors (exhibiting strong electron-phonon coupling and highly localised excited states) and how we can tune these photophysical properties with inorganic and organic additives. We find that the fundamental photophysical properties of lead halide perovskites, such as charge carrier relaxation and recombination, arise from the lead halide lattice rather than the choice of A-site cation. We show that while the choice of A-site cation does not affect these photophysical properties directly, it can have a significant impact on the structure of the lead halide lattice and therefore affect these photophysical properties indirectly. We demonstrate that lead halide perovskites fabricated from particular inorganic and organic A-site cation combinations exhibit low parasitic trap densities and enhanced carrier interactions. Furthering our understanding of how the photophysical properties of these materials can be controlled through chemical composition is extremely important for the future design of highly efficient solar cells and light emitting diodes.

This thesis is about the development and validation of a numerical model for the simulation of the current-voltage characteristics of organic thin-film devices. The focus is on the analysis of a white organic light-emitting diode (OLED) with fluorescent blue and phosphorescent red and green emitters. The simulation model describes the charge transport as a one-dimensional drift-diffusion current and is developed on the basis of the Scharfetter-Gummel method. It incorporates modern theories for the charge transport in disordered organic materials, which are considered by means of special functions for the diffusion coefficient and the charge-carrier mobility. The algorithm is designed such that it can switch between different models for mobility and calculates both transient and steady-state solutions. In the analysis of the OLED, electron and hole transport are investigated separately in series of single-carrier devices. These test devices incorporate parts of the layers in the OLED between symmetrically arranged injection layers that are electrically doped. Thereby, the OLED layer sequence is reconstructed step by step. The analysis of the test devices allows to obtain the numerous parameters which are required for the simulation of the complete OLED and reveals many interesting features of the OLED. For instance, it is shown how the accumulation of charge carriers in front of an interface barrier increases the mobility and the transfer rate across the interface. Furthermore, it is demonstrated how to identify charge-trapping states. This leads to the detection of deep trap states in the emission zone of the OLED -- an interesting aspect, since these states can function as recombination centers and may cause non-radiative losses. Moreover, various other effects such as interface dipoles and a slight freeze-out of active electric dopants in the injection layers are observed. In the simulations of the numerous test devices, the parameters are consistently applied. Thereby, the agreement between simulation and experiment is excellent, which demonstrates the correctness and applicability of the developed model. Finally, the complete OLED is successfully simulated on the basis of the parameters that have been obtained in the analysis of the single-carrier devices. The simulation of the OLED illustrates the transport levels of electrons and holes, and proofs that the OLED efficiency is low because of non-radiative recombination in the interlayer between the phosphorescent and fluorescent emission zones. In this context, many interesting issues are discussed, e.g. the applicability of the Langevin model in combination with the mobility models for the description of recombination and the relevance of interactions between free charge carriers and excitons.