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Impact of molecular quadrupole moments on the energy levels at organic heterojunctions

  • The functionality of organic semiconductor devices crucially depends on molecular energies, namely the ionisation energy and the electron affinity. Ionisation energy and electron affinity values of thin films are, however, sensitive to film morphology and composition, making their prediction challenging. In a combined experimental and simulation study on zinc-phthalocyanine and its fluorinated derivatives, we show that changes in ionisation energy as a function of molecular orientation in neat films or mixing ratio in blends are proportional to the molecular quadrupole component along the p-p-stacking direction. We apply these findings to organic solar cells and demonstrate how the electrostatic interactions can be tuned to optimise the energy of the charge-transfer state at the donor-acceptor interface and the dissociation barrier for free charge carrier generation. The confirmation of the correlation between interfacial energies and quadrupole moments for other materials indicates its relevance for small molecules and polymers.

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Verfasserangaben:Martin SchwarzeORCiD, Karl Sebastian Schellhammer, Katrin OrtsteinORCiD, Johannes BenduhnORCiD, Christopher GaulORCiD, Alexander Hinderhofer, Lorena Perdigon ToroORCiD, Reinhard Scholz, Jonas KublitskiORCiD, Steffen RolandORCiDGND, Matthias Lau, Carl Poelking, Denis AndrienkoORCiD, Gianaurelio CunibertiORCiD, Frank SchreiberORCiD, Dieter NeherORCiDGND, Koen VandewalORCiD, Frank OrtmannORCiD, Karl LeoORCiD
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-019-10435-2
ISSN:2041-1723
Pubmed ID:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31165738
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):Nature Communications
Verlag:Nature Publ. Group
Verlagsort:London
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:05.06.2019
Erscheinungsjahr:2019
Datum der Freischaltung:26.01.2021
Band:10
Seitenanzahl:9
Fördernde Institution:German Research Foundation (DFG) through the project MatWorldNet [LE-747/44-1]; DFGGerman Research Foundation (DFG) [OR-349/1, INST 336/94-1 FUGG]; German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) grant InterPhase [FKZ 13N13661]; InnoProfile project "Organische p-i-n Bauelemente 2.2" [03IPT602X]; NMP-20-2014-"Widening materials models" programme [646259]; Open Access Publication Funds of the SLUB/TU Dresden
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Publikationsweg:Open Access / Gold Open-Access
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Lizenz (Deutsch):License LogoCC-BY - Namensnennung 4.0 International
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