TY - THES A1 - Arvind, Malavika T1 - Regarding the role of aggregation and structural order on the mechanism of molecular doping of semiconducting polymers T1 - Die Rolle von Aggregation und struktureller Ordnung auf den Mechanismus der molekularen Dotierung von halbleitenden Polymeren BT - from solutions to films BT - von Lösungen zu Filmen N2 - Polymeric semiconductors are strong contenders for replacing traditional inorganic semiconductors in electronic applications requiring low power, low cost and flexibility, such as biosensors, flexible solar cells and electronic displays. Molecular doping has the potential to enable this revolution by improving the conductivity and charge transport properties of this class of materials. Despite decades of research in this field, gaps in our understanding of the nature of dopant–polymer interactions has resulted in limited commercialization of this technology. This work aims at providing a deeper insight into the underlying mechanisms of molecular p-doping of semiconducting polymers in the solution and solid-state, and thereby bring the scientific community closer to realizing the dream of making organic semiconductors commonplace in the electronics industry. The role of 1) dopant size/shape, 2) polymer chain aggregation and 3) charge delocalization on the doping mechanism and efficiency is addressed using optical (UV-Vis-NIR) and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopies. By conducting a comprehensive study of the nature and concentration of the doping-induced species in solutions of the polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT) with 3 different dopants, we identify the unique optical signatures of the delocalized polaron, localized polaron and charge-transfer complex, and report their extinction coefficient values. Furthermore, with X-ray diffraction, atomic force microscopy and electrical conductivity measurements, we study the impact of processing technique and doping mechanism on the morphology and thereby, charge transport through the doped films. This work demonstrates that the doping mechanism and type of doping-induced species formed are strongly influenced by the polymer backbone arrangement rather than dopant shape/size. The ability of the polymer chain to aggregate is found to be crucial for efficient charge transfer (ionization) and polaron delocalization. At the same time, our results suggest that the high ionization efficiency of a dopant–polymer system in solution may subsequently hinder efficient charge transport in the solid-state due to the reduction in the fraction of tie chains, which enable charges to move efficiently between aggregated domains in the films. This study demonstrates the complex multifaceted nature of polymer doping while providing important hints for the future design of dopant-host systems and film fabrication techniques. N2 - Polymer-Halbleiter sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz traditioneller anorganischer Halbleiter in elektronischen Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten und mechanische Flexibilität erfordern, wie z.B. Biosensoren, flexible Solarzellen und elektronische Bildschirme. Molekulare Dotierung hat das Potenzial, diese Revolution zu ermöglichen, indem sie die Leitfähigkeit und die Ladungstransporteigenschaften dieser Materialklasse verbessert. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf diesem Gebiet hat das unvollständige Verständnis der Dotierstoff-Polymer-Wechselwirkungen nur zu einer begrenzten Kommerzialisierung dieser Technologie geführt.Ziel dieser Arbeit ist es, einen tieferen Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der molekularen p-Dotierung von halbleitenden Polymeren in Lösung und im festen Zustand zu geben und dadurch die wissenschaftliche Gemeinschaft näher an die Verwirklichung des Traums heran zu bringen, organische Halbleiter in der Elektronikindustrie alltäglich zu machen. Diese Arbeit zeigt, dass der Dotierungsmechanismus und die Art der gebildeten, dotierungsinduzierten Spezies eher durch die Anordnung des Polymerrückgrats als durch die Form/Größe des Dotierstoffs beeinflusst werden. Die Fähigkeit der Polymerkette, zu aggregieren, stellt sich als entscheidend für einen effizienten Ladungstransfer (d.h. Ionisierung) und die Polaron-Delokalisierung heraus. Gleichzeitig deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die hohe Ionisationseffizienz eines Dotierstoff-Polymersystems in der Lösung eine Beinträchtigung des effizienten Ladungstransport im festen Zustand nach sich ziehen kann, da der Anteil der Verbindungsketten, die eine effiziente Bewegung von Ladungen zwischen aggregierten Domänen in dünnen Filmen ermöglichen, reduziert wird. Diese Arbeit verdeutlicht die komplexe, vielschichtige Natur der Polymerdotierung und gibt dabei wichtige Hinweise für das zukünftige Design von Dotierstoff-Wirtssystemen und Filmherstellungstechniken. KW - molecular doping KW - organic semiconductors KW - Lewis acid doping KW - optical spectroscopy KW - thin films KW - semiconducting polymer KW - conductivity KW - dip doping KW - polymer aggregation KW - Dotierung KW - Polymer-Halbleiter KW - Leitfähigkeit KW - Lewis-Säure Dotierung KW - organische Halbleiter KW - Polymeraggregation KW - halbleitendes Polymer KW - Dünn film KW - optische Spektroskopie KW - molekulare Dotierung KW - Dip-Dotierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500606 ER - TY - JOUR A1 - Pingel, Patrick A1 - Arvind, Malavika A1 - Kölln, Lisa A1 - Steyrleuthner, Robert A1 - Kraffert, Felix A1 - Behrends, Jan A1 - Janietz, Silvia A1 - Neher, Dieter T1 - p-Type Doping of Poly(3-hexylthiophene) with the Strong Lewis Acid Tris(pentafluorophenyl)borane JF - Advanced electronic materials N2 - State-of-the-art p-type doping of organic semiconductors is usually achieved by employing strong -electron acceptors, a prominent example being tetrafluorotetracyanoquinodimethane (F(4)TCNQ). Here, doping of the semiconducting model polymer poly(3-hexylthiophene), P3HT, using the strong Lewis acid tris(pentafluorophenyl)borane (BCF) as a dopant, is investigated by admittance, conductivity, and electron paramagnetic resonance measurements. The electrical characteristics of BCF- and F(4)TCNQ-doped P3HT layers are shown to be very similar in terms of the mobile hole density and the doping efficiency. Roughly 18% of the employed dopants create mobile holes in either F-4 TCNQ- or BCF-doped P3HT, while the majority of doping-induced holes remain strongly Coulomb-bound to the dopant anions. Despite similar hole densities, conductivity and hole mobility are higher in BCF-doped P3HT layers than in F(4)TCNQ-doped samples. This and the good solubility in many organic solvents render BCF very useful for p-type doping of organic semiconductors. KW - charge carrier transport KW - charge transfer KW - conductivity KW - molecular doping KW - organic semiconductors Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/aelm.201600204 SN - 2199-160X VL - 2 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Perdigón-Toro, Lorena T1 - On the Generation and Fate of Free Carriers in Non-Fullerene Acceptor Organic Solar Cells N2 - Organic solar cells offer an efficient and cost-effective alternative for solar energy harvesting. This type of photovoltaic cell typically consists of a blend of two organic semiconductors, an electron donating polymer and a low molecular weight electron acceptor to create what is known as a bulk heterojunction (BHJ) morphology. Traditionally, fullerene-based acceptors have been used for this purpose. In recent years, the development of new acceptor molecules, so-called non-fullerene acceptors (NFA), has breathed new life into organic solar cell research, enabling record efficiencies close to 19%. Today, NFA-based solar cells are approaching their inorganic competitors in terms of photocurrent generation, but lag in terms of open circuit voltage (V_OC). Interestingly, the V_OC of these cells benefits from small offsets of orbital energies at the donor-NFA interface, although previous knowledge considered large energy offsets to be critical for efficient charge carrier generation. In addition, there are several other electronic and structural features that distinguish NFAs from fullerenes. My thesis focuses on understanding the interplay between the unique attributes of NFAs and the physical processes occurring in solar cells. By combining various experimental techniques with drift-diffusion simulations, the generation of free charge carriers as well as their recombination in state-of-the-art NFA-based solar cells is characterized. For this purpose, solar cells based on the donor polymer PM6 and the NFA Y6 have been investigated. The generation of free charge carriers in PM6:Y6 is efficient and independent of electric field and excitation energy. Temperature-dependent measurements show a very low activation energy for photocurrent generation (about 6 meV), indicating barrierless charge carrier separation. Theoretical modeling suggests that Y6 molecules have large quadrupole moments, leading to band bending at the donor-acceptor interface and thereby reducing the electrostatic Coulomb dissociation barrier. In this regard, this work identifies poor extraction of free charges in competition with nongeminate recombination as a dominant loss process in PM6:Y6 devices. Subsequently, the spectral characteristics of PM6:Y6 solar cells were investigated with respect to the dominant process of charge carrier recombination. It was found that the photon emission under open-circuit conditions can be almost entirely attributed to the occupation and recombination of Y6 singlet excitons. Nevertheless, the recombination pathway via the singlet state contributes only 1% to the total recombination, which is dominated by the charge transfer state (CT-state) at the donor-acceptor interface. Further V_OC gains can therefore only be expected if the density and/or recombination rate of these CT-states can be significantly reduced. Finally, the role of energetic disorder in NFA solar cells is investigated by comparing Y6 with a structurally related derivative, named N4. Layer morphology studies combined with temperature-dependent charge transport experiments show significantly lower structural and energetic disorder in the case of the PM6:Y6 blend. For both PM6:Y6 and PM6:N4, disorder determines the maximum achievable V_OC, with PM6:Y6 benefiting from improved morphological order. Overall, the obtained findings point to avenues for the realization of NFA-based solar cells with even smaller V_OC losses. Further reduction of nongeminate recombination and energetic disorder should result in organic solar cells with efficiencies above 20% in the future. N2 - Organische Solarzellen bieten eine effiziente und kostengünstige Alternative für die Nutzung von Sonnenenergie. Bei dieser Art von Photovoltaikzellen werden in der Regel zwei organische Halbleiter, ein elektronenspendendes Polymer und ein niedermolekularer Elektronenakzeptor gemischt, um eine sogenannte „Bulk-Heterojunction“ (BHJ)-Morphologie zu erzeugen. Traditionell wurden hierfür Fulleren-basierte Akzeptoren verwendet. In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Akzeptor-Moleküle, so genannter Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA), der organischen Solarzellenforschung neues Leben eingehaucht und damit Rekordwirkungsgrade >19 % ermöglicht. Heutzutage nähern sich NFA-basierte Solarzellen ihren anorganischen Konkurrenten bezüglich der Photostromerzeugung an, nicht jedoch im Hinblick auf die Leerlaufspannung (V_OC). Interessanterweise profitiert der V_OC dieser Zellen von kleinen Offsets der Orbitalenergien an der Donor-NFA-Grenzfläche, obwohl nach bisherigem Wissen große Energieoffsets als entscheidend für die effiziente Ladungsträgergenerierung an der Heterogrenzfläche galten. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer elektronischer und struktureller Merkmale, die NFAs von Fullerenen unterscheiden. Meine Dissertation konzentriert sich auf ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenspiels der einzigartigen Eigenschaften von NFAs und den physikalischen Prozessen in daraus hergestellten Solarzellen. Durch die Kombination verschiedener experimenteller Techniken mit Drift-Diffusions-Simulationen wird die Erzeugung freier Ladungsträger sowie deren Rekombination in modernen NFA-basierten Solarzellen charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Solarzellen auf Basis des Donor-Polymers PM6 und des NFA Y6 untersucht. Die Erzeugung freier Ladungsträger in PM6:Y6 erweist sich dabei als effizient und unabhängig von elektrischem Feld und Anregungsenergie. Temperaturabhängige Messungen zeigen eine sehr geringe Aktivierungsenergie für die Photostromerzeugung (ca. 6 meV), was auf eine barrierefreie Ladungsträgertrennung hinweist. Theoretische Modellierungen legen nahe, dass Y6-Moleküle große Quadrupolmomente aufweisen, was zu einer Bandverbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche führt und dabei die elektrostatische Coulombsch-Dissoziationsbarriere reduziert. In dieser Hinsicht identifiziert diese Arbeit die schlechte Extraktion freier Ladungen in Konkurrenz zur „nongeminalen“ Rekombination als einen dominanten Verlustprozess in PM6:Y6 Zellen. In weiterer Folge wurden die spektralen Eigenschaften von PM6:Y6-Solarzellen im Hinblick auf den dominanten Prozess der Ladungsträgergenerierung und rekombination untersucht. Es zeigte sich, dass die Photonenemission unter Leerlaufbedingungen fast vollständig auf die Besetzung und Rekombination von Y6-Singlet-Exzitonen zurückgeführt werden kann. Trotzdem trägt der Rekombinationspfad über den Singlett-Zustand nur zu 1 % zur gesamten Rekombination bei, die über den Ladungstransfer-Zustand (CT-state) an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche dominiert wird. Weitere V_OC Gewinne sind daher nur zu erwarten, wenn die Dichte und/oder die Rekombinationsrate dieser CT-Zustände erheblich reduziert werden kann. Schließlich wird die Rolle der energetischen Unordnung in NFA-Solarzellen durch den Vergleich von Y6 mit einem strukturverwandten Derivat, genannt N4, untersucht. Untersuchungen zur Schichtmorphologie in Kombination mit Experimenten zum temperaturabhängigen Ladungstransport zeigen eine deutlich geringere strukturelle und energetische Unordnung im Fall des PM6:Y6 Blends. Sowohl für PM6:Y6 als auch für PM6:N4 bestimmt die Unordnung den maximal erreichbaren V_OC, wobei PM6:Y6 von der verbesserten morphologischen Ordnung profitiert. Insgesamt weisen die gewonnenen Erkenntnisse Wege für die Realisierung von NFA-basierten Solarzellen mit noch kleineren V_OC-Verlusten auf. Durch die weitere Reduzierung der „nongeminaten“ Rekombination als auch der energetischen Unordnung sollten in Zukunft organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 20 % möglich werden. T2 - Über die Photogenerierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organic solar cells KW - non-fullerene acceptors KW - free charge generation KW - free charge recombination KW - energetic disorder KW - organic semiconductors KW - energetische Unordnung KW - Generierung freier Ladungsträger KW - freie Ladungsträger Rekombination KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organische Halbleiter KW - organische Solarzellen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558072 ER - TY - JOUR A1 - Foertig, Alexander A1 - Kniepert, Juliane A1 - Gluecker, Markus A1 - Brenner, Thomas J. K. A1 - Dyakonov, Vladimir A1 - Neher, Dieter A1 - Deibel, Carsten T1 - Nongeminate and geminate recombination in PTB7: PCBM solar cells JF - Advanced functional materials KW - organic semiconductors KW - organic solar cells KW - conjugated polymers KW - charge carrier recombination Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/adfm.201302134 SN - 1616-301X SN - 1616-3028 VL - 24 IS - 9 SP - 1306 EP - 1311 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Schubert, Marcel A1 - Dolfen, Daniel A1 - Frisch, Johannes A1 - Roland, Steffen A1 - Steyrleuthner, Robert A1 - Stiller, Burkhard A1 - Chen, Zhihua A1 - Scherf, Ullrich A1 - Koch, Norbert A1 - Facchetti, Antonio A1 - Neher, Dieter T1 - Influence of aggregation on the performance of All-Polymer Solar Cells containing Low-Bandgap Naphthalenediimide Copolymers JF - dvanced energy materials N2 - The authors present efficient all-polymer solar cells comprising two different low-bandgap naphthalenediimide (NDI)-based copolymers as acceptors and regioregular P3HT as the donor. It is shown that these naphthalene copolymers have a strong tendency to preaggregate in specific organic solvents, and that preaggregation can be completely suppressed when using suitable solvents with large and highly polarizable aromatic cores. Organic solar cells prepared from such nonaggregated polymer solutions show dramatically increased power conversion efficiencies of up to 1.4%, which is mainly due to a large increase of the short circuit current. In addition, optimized solar cells show remarkable high fill factors of up to 70%. The analysis of the blend absorbance spectra reveals a surprising anticorrelation between the degree of polymer aggregation in the solid P3HT:NDI copolymer blends and their photovoltaic performance. Scanning near-field optical microscopy (SNOM) and atomic force microscopy (AFM) measurements reveal important information on the blend morphology. It is shown that films with high degree of aggregation and low photocurrents exhibit large-scale phase-separation into rather pure donor and acceptor domains. It is proposed that, by suppressing the aggregation of NDI copolymers at the early stage of film formation, the intermixing of the donor and acceptor component is improved, thereby allowing efficient harvesting of photogenerated excitons at the donoracceptor heterojunction. KW - aggregation KW - morphology KW - naphthalenediimide KW - organic semiconductors KW - organic photovoltaics Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201100601 SN - 1614-6832 VL - 2 IS - 3 SP - 369 EP - 380 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER -