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Metal nanoparticle mediated space charge and its optical control in an organic hole-only device
(2016)
We reveal the role of localized space charges in hole-only devices based on an organic semiconductor with embedded metal nanoparticles (MNPs). MNPs act as deep traps for holes and reduce the current density compared to a device without MNPs by a factor of 10(4) due to the build-up of localized space charge. Dynamic MNPs charged neutrality can be realized during operation by electron transfer from excitons created in the organic matrix, enabling light sensing independent of device bias. In contrast to the previous speculations, electrical bistability in such devices was not observed. (C) 2016 AIP Publishing LLC.
p-Type Doping of Poly(3-hexylthiophene) with the Strong Lewis Acid Tris(pentafluorophenyl)borane
(2016)
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.
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.
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.
We explore the photophysics of P(NDI2OD-T2), a high-mobility and air-stable n-type donor/acceptor polymer. Detailed steady-state UV-vis and photoluminescence (PL) measurements on solutions of P(NDI2OD-T2) reveal distinct signatures of aggregation. By performing quantum chemical calculations, we can assign these spectral features to unaggregated and stacked polymer chains. NMR measurements independently confirm the aggregation phenomena of P(NDI2OD-T2) in solution. The detailed analysis of the optical spectra shows that aggregation is a two-step process with different types of aggregates, which we confirm by time-dependent PL measurements. Analytical ultracentrifugation measurements suggest that aggregation takes place within the single polymer chain upon coiling. By transferring these results to thin P(NDI2OD-T2) films, we can conclude that film formation is mainly governed by the chain collapse, leading in general to a high aggregate content of similar to 45%. This process also inhibits the formation of amorphous and disordered P(NDI2OD-T2) films.