TY  - THES
A1  - Schubert, Marcel
T1  - Elementary processes in layers of electron transporting Donor-acceptor copolymers : investigation of charge transport and application to organic solar cells
T1  - Elementare Prozesse in Schichten elektronen-transportierender Donator-Akzeptor-Copolymere : Untersuchung des Ladungstransports und Anwendung in Organischen Solarzellen
N2  - Donor-acceptor (D-A) copolymers have revolutionized the field of organic electronics over the last decade. Comprised of a electron rich and an electron deficient molecular unit, these copolymers facilitate the systematic modification of the material's optoelectronic properties. The ability to tune the optical band gap and to optimize the molecular frontier orbitals as well as the manifold of structural sites that enable chemical modifications has created a tremendous variety of copolymer structures. Today, these materials reach or even exceed the performance of amorphous inorganic semiconductors. Most impressively, the charge carrier mobility of D-A copolymers has been pushed to the technologically important value of 10 cm^{2}V^{-1}s^{-1}. Furthermore, owed to their enormous variability they are the material of choice for the donor component in organic solar cells, which have recently surpassed the efficiency threshold of 10%. Because of the great number of available D-A copolymers and due to their fast chemical evolution, there is a significant lack of understanding of the fundamental physical properties of these materials. Furthermore, the complex chemical and electronic structure of D-A copolymers in combination with their semi-crystalline morphology impede a straightforward identification of the microscopic origin of their superior performance. In this thesis, two aspects of prototype D-A copolymers were analysed. These are the investigation of electron transport in several copolymers and the application of low band gap copolymers as acceptor component in organic solar cells. In the first part, the investigation of a series of chemically modified fluorene-based copolymers is presented. The charge carrier mobility varies strongly between the different derivatives, although only moderate structural changes on the copolymers structure were made. Furthermore, rather unusual photocurrent transients were observed for one of the copolymers. Numerical simulations of the experimental results reveal that this behavior arises from a severe trapping of electrons in an exponential distribution of trap states. Based on the comparison of simulation and experiment, the general impact of charge carrier trapping on the shape of photo-CELIV and time-of-flight transients is discussed. In addition, the high performance naphthalenediimide (NDI)-based copolymer P(NDI2OD-T2) was characterized. It is shown that the copolymer posses one of the highest electron mobilities reported so far, which makes it attractive to be used as the electron accepting component in organic photovoltaic cells.\par Solar cells were prepared from two NDI-containing copolymers, blended with the hole transporting polymer P3HT. I demonstrate that the use of appropriate, high boiling point solvents can significantly increase the power conversion efficiency of these devices. Spectroscopic studies reveal that the pre-aggregation of the copolymers is suppressed in these solvents, which has a strong impact on the blend morphology. Finally, a systematic study of P3HT:P(NDI2OD-T2) blends is presented, which quantifies the processes that limit the efficiency of devices. The major loss channel for excited states was determined by transient and steady state spectroscopic investigations: the majority of initially generated electron-hole pairs is annihilated by an ultrafast geminate recombination process. Furthermore, exciton self-trapping in P(NDI2OD-T2) domains account for an additional reduction of the efficiency. The correlation of the photocurrent to microscopic morphology parameters was used to disclose the factors that limit the charge generation efficiency. Our results suggest that the orientation of the donor and acceptor crystallites relative to each other represents the main factor that determines the free charge carrier yield in this material system. This provides an explanation for the overall low efficiencies that are generally observed in all-polymer solar cells.
N2  - Donator-Akzeptor (D-A) Copolymere haben das Feld der organischen Elektronik revolutioniert. Bestehend aus einer elektronen-reichen und einer elektronen-armen molekularen Einheit,ermöglichen diese Polymere die systematische Anpassung ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften. Zu diesen zählen insbesondere die optische Bandlücke und die Lage der Energiezustände. Dabei lassen sie sich sehr vielseitig chemisch modifizieren, was zu einer imensen Anzahl an unterschiedlichen Polymerstrukturen geführt hat. Dies hat entscheidend dazu beigetragen, dass D-A-Copolymere heute in Bezug auf ihren Ladungstransport die Effizienz von anorganischen Halbleitern erreichen oder bereits übetreffen. Des Weiteren lassen sich diese Materialien auch hervorragend in Organischen Solarzellen verwenden, welche jüngst eine Effizienz von über 10% überschritten haben. Als Folge der beträchtlichen Anzahl an unterschiedlichen D-A-Copolymeren konnte das physikalische Verständnis ihrer Eigenschaften bisher nicht mit dieser rasanten Entwicklung Schritt halten. Dies liegt nicht zuletzt an der komplexen chemischen und mikroskopischen Struktur im Film, in welchem die Polymere in einem teil-kristallinen Zustand vorliegen. Um ein besseres Verständnis der grundlegenden Funktionsweise zu erlangen, habe ich in meiner Arbeit sowohl den Ladungstransport als auch die photovoltaischen Eigenschaften einer Reihe von prototypischen, elektronen-transportierenden D-A Copolymeren beleuchtet. Im ersten Teil wurden Copolymere mit geringfügigen chemischen Variationen untersucht. Diese Variationen führen zu einer starken Änderung des Ladungstransportverhaltens. Besonders auffällig waren hier die Ergebnisse eines Polymers, welches sehr ungewöhnliche transiente Strom-Charakteristiken zeigte. Die nähere Untersuchung ergab, dass in diesem Material elektrisch aktive Fallenzustände existieren. Dieser Effekt wurde dann benutzt um den Einfluss solcher Fallen auf transiente Messung im Allgemeinen zu beschreiben. Zusätzlich wurde der Elektronentransport in einem neuartigen Copolymer untersucht, welche die bis dato größte gemesse Elektronenmobilität für konjugierte Polymere zeigte. Darauf basierend wurde versucht, die neuartigen Copolymere als Akzeptoren in Organischen Solarzellen zu implementieren. Die Optimierung dieser Zellen erwies sich jedoch als schwierig, konnte aber erreicht werden, indem die Lösungseigenschaften der Copolymere untersucht und systematisch gesteuert wurden. Im Weiteren werden umfangreiche Untersuchungen zu den relevanten Verlustprozessen gezeigt. Besonders hervorzuheben ist hier die Beobachtung, dass hohe Effizienzen nur bei einer coplanaren Packung der Donator/Akzeptor-Kristalle erreicht werden können. Diese Struktureigenschaft wird hier zum ersten Mal beschrieben und stellt einen wichtigen Erkenntnisgewinn zum Verständnis von Polymersolarzellen dar.
KW  - Organische Solarzellen
KW  - Ladungstransport
KW  - Donator-Akzeptor-Copolymere
KW  - Alternative Akzeptorpolymere
KW  - Polymer-Kristalle
KW  - organic solar cells
KW  - charge transport
KW  - Donor-acceptor copolymers
KW  - alternative electron acceptors
KW  - polymer crystal orientation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70791
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steyrleuthner, Robert
T1  - Korrelation von Struktur, optischen Eigenschaften und Ladungstransport in einem konjugierten Naphthalindiimid-Bithiophen Copolymer mit herausragender Elektronenmobilität
T1  - Correlation of structure, optical properties and charge transport in a conjugated naphtalendiimide-bithiophene copolymer with outstanding electron mobility
N2  - Organische Halbleiter besitzen neue, bemerkenswerte Materialeigenschaften, die sie für die grundlegende Forschung wie auch aktuelle technologische Entwicklung (bsw. org. Leuchtdioden, org. Solarzellen) interessant werden lassen. Aufgrund der starken konformative Freiheit der konjugierten Polymerketten führt die Vielzahl der möglichen Anordnungen und die schwache intermolekulare Wechselwirkung für gewöhnlich zu geringer struktureller Ordnung im Festkörper. Die Morphologie hat gleichzeitig direkten Einfluss auf die elektronische Struktur der organischen Halbleiter, welches sich meistens in einer deutlichen Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit gegenüber den anorganischen Verwandten zeigt. So stellt die Beweglichkeit der Ladungen im Halbleiter einen der limitierenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit bzw. den Wirkungsgrad von funktionellen organischen Bauteilen dar. Im Jahr 2009 wurde ein neues auf Naphthalindiimid und Bithiophen basierendes Dornor/Akzeptor Copolymer vorgestellt [P(NDI2OD‑T2)], welches sich durch seine außergewöhnlich hohe Ladungsträgermobilität auszeichnet. In dieser Arbeit wird die Ladungsträgermobilität in P(NDI2OD‑T2) bestimmt, und der Transport durch eine geringe energetischer Unordnung charakterisiert. Obwohl dieses Material zunächst als amorph beschrieben wurde zeigt eine detaillierte Analyse der optischen Eigenschaften von P(NDI2OD‑T2), dass bereits in Lösung geordnete Vorstufen supramolekularer Strukturen (Aggregate) existieren. Quantenchemische Berechnungen belegen die beobachteten spektralen Änderungen. Mithilfe der NMR-Spektroskopie kann die Bildung der Aggregate unabhängig von optischer Spektroskopie bestätigt werden. Die Analytische Ultrazentrifugation an P(NDI2OD‑T2) Lösungen legt nahe, dass sich die Aggregation innerhalb der einzelnen Ketten unter Reduktion des hydrodynamischen Radius vollzieht. Die Ausbildung supramolekularen Strukturen nimmt auch eine signifikante Rolle bei der Filmbildung ein und verhindert gleichzeitig die Herstellung amorpher P(NDI2OD‑T2) Filme. Durch chemische Modifikation der P(NDI2OD‑T2)-Kette und verschiedener Prozessierungs-Methoden wurde eine Änderung des Kristallinitätsgrades und gleichzeitig der Orientierung der kristallinen Domänen erreicht und mittels Röntgenbeugung quantifiziert. In hochauflösenden Elektronenmikroskopie-Messungen werden die Netzebenen und deren Einbettung in die semikristallinen Strukturen direkt abgebildet. Aus der Kombination der verschiedenen Methoden erschließt sich ein Gesamtbild der Nah- und Fernordnung in P(NDI2OD‑T2). Über die Messung der Elektronenmobilität dieser Schichten wird die Anisotropie des Ladungstransports in den kristallographischen Raumrichtungen von P(NDI2OD‑T2) charakterisiert und die Bedeutung der intramolekularen Wechselwirkung für effizienten Ladungstransport herausgearbeitet. Gleichzeitig wird deutlich, wie die Verwendung von größeren und planaren funktionellen Gruppen zu höheren Ladungsträgermobilitäten führt, welche im Vergleich zu klassischen semikristallinen Polymeren weniger sensitiv auf die strukturelle Unordnung im Film sind.
N2  - Organic semiconductors are in the focus of recent research and technological development (eg. for organic light-emitting diodes and solar cells) due to their specific and outstanding material properties. The strong conformational freedom of conjugated polymer chains usually leads to a large number of possible geometric arrangements while weak intermolecular interactions additionally lead to poor structural order in the solid state. At the same time the morphology of those systems has direct influence on the electronic structure of the organic semiconductor which is accompanied by a significant reduction of the charge carrier mobility in contrast to their inorganic counterparts. In that way the transport of charges within the semiconductor represents one of the main limiting factors regarding the performance and efficiency of functional organic devices. In 2009 Facchetti and coworkers presented a novel conjugated donor/acceptor copolymer based on naphthalene diimide and bithiophene [P(NDI2OD‑T2)] which was characterized by an outstanding charge carrier mobility. In this work the mobility of electrons and holes in the bulk of P(NDI2OD‑T2) is determined by single carrier devices and the time-of-flight technique. The results imply a low energetic disorder in these polymer layers. While the material was initially expected to be mainly amorphous, a detailed study of the photophysical properties of P(NDI2OD‑T2) shows that precursors of supramolecular assemblies (aggregates) are already formed in polymer solution. Quantum-chemical calculations support the occurring optical changes. NMR spectroscopy was applied to independently prove the formation of chain aggregates in commonly used organic solvents. The investigation of P(NDI2OD‑T2) solutions by analytical ultracentrifugation implies that aggregation mainly proceeds within single polymer chains by reduction of the hydrodynamic radius. To understand the influence of the chemical structure, pre-aggregation and crystal packing of conventional regioregular P(NDI2OD-T2) on the charge transport, the corresponding regioirregular polymer RI-P(NDI2OD-T2) was synthesized. By combining optical, X-ray, and transmission electron microscopy data, a quantitatively characterization of the aggregation, crystallization, and backbone orientation of all of the polymer films was possible, which was then correlated to the electron mobilities in electron-only diodes. The anisotropy of the charge transport along the different crystallographic directions is demonstrated and how the mobility depends on π-stacking but is insensitive to the degree or coherence of lamellar stacking. The comparison between the regioregular and regioirregular polymers also shows how the use of large planar functional groups leads to improved charge transport, with mobilities that are less affected by chemical and structural disorder with respect to classic semicrystalline polymers such as poly(3-hexylthiophene).
KW  - organische Halbleiter
KW  - Ladungstransport
KW  - Solarzellen
KW  - Polymere
KW  - Photophysik
KW  - organic semiconductor
KW  - charge transport
KW  - solar cells
KW  - polymers
KW  - photo physics
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71413
ER  -