Der Einfluss zusätzlicher Fallenzustände auf die Transporteigenschaften niedermolekularer Lochleiter und Hybrid-Solarzellen

Titelangaben

Jäger, Claus:
Der Einfluss zusätzlicher Fallenzustände auf die Transporteigenschaften niedermolekularer Lochleiter und Hybrid-Solarzellen.
Bayreuth , 2003
( Dissertation, 2003 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, inwieweit sich die Beweglichkeit von niedermolekularen Lochleitern auf der Basis von Triphenyldiaminen durch Zumischen von zusätzlichen Fallenzuständen manipulieren und mit der Modellvorstellung des Hopping-Transports beschreiben lässt. Die Materialmischungen sollten dann in Hybrid-Solarzellen eingebaut werden und so der Einfluss der Ladungsträgerbeweglichkeit auf die photovoltaischen Parameter bestimmt werden. Die Time-of-Flight-Messungen konnten an einer Vielzahl von Lochleitermischungen durchgeführt werden, wobei die Fallenkonzentration und -tiefe variiert wurden. Es zeigte sich beim reinen Matrixmaterial DMe-TPD, dass ausschließlich das Hopping-Modell die Daten gut beschreiben kann, da die Steigungen im Nachtransitbereich so groß sind, dass das Steigungskriterium von -2 für das CTRW- und Multiple-Trapping-Modell nicht erfüllt ist. Bei Dotierung mit tiefen Fallen (NTDATA) wurde mit zunehmender Konzentration ein Übergang von dispersivem zu nicht-dispersivem Ladungsträgertransport beobachtet, wobei sich auch das Verhalten der Steigungswerte im Vor- und Nachtransitbereich der Transienten ändert. Bei dispersivem Transport ist die Feldabhängigkeit gering, während bei hohen Fallenkonzentrationen c eine deutliche Feldabhängigkeit nachzuweisen ist. Die Beweglichkeit lässt sich durch Dotierung mit NTDATA im Vergleich zum reinem Material um bis zu vier Größenordnungen erniedrigen, was eine Anwendung dieser Lochleitersysteme in Hybrid-Solarzellen möglich macht. Über temperaturabhängige Messungen konnten die charakteristischen Parameter im Hopping-Modell bestimmt werden. Die energetische Breite sigma weist eine logarithmische Abhängigkeit von der Fallenkonzentration auf. Im Rahmen des Hoesterey-Letson-Formalismus konnten die Messdaten gut beschrieben werden und es zeigt sich, dass sich die gesamte energetische Breite der Zustandsdichte aus Wirt- und Gastmolekülen weitestgehend durch eine effektive Breite sigma-eff charakterisieren lässt. Ebenso wurden die Grenzen dieses Modells dargestellt, da bei flachen Fallen die angewandte Näherung ungültig wird und die Voraussage der c-1-Abhängigkeit der Beweglichkeit im Experiment nicht mehr beobachtet wird. Am System mit tiefen Fallen (NTDATA) wurde in Übereinstimmung mit der Literatur eine überlineare Konzentrationsabhängigkeit der Beweglichkeit nachgewiesen. Als Grund wurde hierfür der Übergang von der dispersiven zur nicht-dispersiven Transientenform identifiziert. Eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ergab sich mit der neueren EMA-Theorie. Der Verlauf der konzentrationsabhängigen Beweglichkeiten für unterschiedliche Fallentiefen konnte bis auf die Abweichungen durch die dispersiven Transienten bei NTDATA hervorragend wiedergegeben werden. Im fallendominierten Bereich ergibt sich als Grenzfall die c-1-Abhängigkeit des HLF. Die temperaturabhängigen Nullfeldbeweglichkeiten für NTDATA konnten im Rahmen der Messgenauigkeit gut simuliert werden. Dabei zeigte sich sowohl im Experiment als auch in der Theorie unterhalb der kritischen Temperatur Tcr ein verändertes Steigungsverhalten. Der einzig frei wählbare Parameter ist die energetische Unordnung der Fallenzustände sigma1, die mit höherer Fallenkonzentration zunimmt. Die in diesem Rahmen erweiterte Hoesterey-Letson-Gleichung konnte ebenfalls gut auf die Messdaten angewandt werden und beschreibt diese in einem weiten Konzentrationsbereich. Insbesondere für höheren Fallendichten von NTDATA nimmt in der Theorie die effektive Breite sigma-eff im Vergleich zu den gemessenen Werten schneller ab, da der Beitrag des Interfallentransports in der Simulation überschätzt wird bzw. die Bestimmung von sigma-eff im Experiment durch lineare Regression nicht eindeutig ist. Die Anwendung der molekular-dotierten Photoleiter in Hybrid-Solarzellen zeigte einen zunächst unerwartet geringen Zusammenhang zwischen Beweglichkeit und den charakteristischen Kenngrößen der Solarzelle. Der Grund hierfür liegt darin, dass im Vergleich zu den Time-of-Flight-Messungen bei der photovoltaischen Charakterisierung eine deutlich höhere Ladungskonzentration im Lochleiter vorliegt, die eine Besetzung der zusätzlichen Fallenzustände verursacht. Da diese so den Transport nicht verlangsamen können, ist die effektive Beweglichkeit deutlich erhöht. Intensitätsabhängige Messungen an den Solarzellen zeigen, dass ausschließlich monomolekulare Rekombination während des Transports stattfindet und die Fallenzustände deshalb nicht als Rekombinationszentren wirken. Damit konnte in dieser Arbeit erstmals eindeutig nachgewiesen werden, dass eine durch Fallen reduzierte Beweglichkeit nicht der limitierende Faktor bei der Solarzelleneffizienz ist, solange keine zusätzlichen bimolekularen Rekombinationsprozesse im Material stattfinden.

Abstract in weiterer Sprache

The objective of this work was to find out how the mobility of low molecular hole conductors on the base of triphenyldiamines can be manipulated by doping with additional trapping states. Another goal was to describe the system in the frame of the Gaussian disorder model. The mixtures were then applied in hybrid solar cells to study the influence of the charge mobility on the photovoltaic parameters. Time-of-flight experiments could be performed on various hole conductor mixtures, in which the trap concentration as well as the trap depth has been varied. The data of the pure matrix material DMe-TPD could only be described within the hopping model, because the post tran-sit slopes are to high to fulfill the slope criterion of -2 of the CTRW- and the Multiple-trapping model. By increasing the concentration of deep traps (NTDATA), a change from dispersive to non-dispersive transport could be seen, which causes also a change of the slopes of transients before and after the transit time. In the dispersive transport regime the field dependence of the slope is weak, whereas the field dependence is clearly detectable at high trap concentrations c. Compared to the pure material the mobility can be lowered by four orders of magnitude by doping with NTDATA, which makes an application of the hole conductor systems in hybrid solar cells possible. The characteristic parameters of the hopping model could be determined by temperature dependent measurements. The energetic disorder sigma depends logarithmically on the trap concentration. The measured data fitted well to the Hoesterey-Letson Formalism (HLF) and it shows that the entire energetic width of the density of states of host and guest molecules can be described by an effective width sigma-eff. The limits of the model have been described as well. For shallow traps the used approximation fails and so the predicted c-1 dependence of the mobility can not be verified in the experiment. In agreement with the literature the system containing deep traps (NTDATA) shows a concentration dependence of the mobility with an exponent smaller than -1. The reason is a change of the transient from dispersive to the non-dispersive regime. A very good agreement with the experimental data could be found by using the more recent EMA-theory. Except of the data points from dispersive transients for NTDATA, the concentration dependent mobilities for different trap depths could be described excellent. In the trap controlled regime, the c-1 dependence of the HLF can be found. The temperature dependent zero field mobilities of NTDATA could be simulated well within the precision of measurements. A changed slope was found below a critical temperature Tcr both experimentally and theoretically. The only free parameter is the energetic disorder of the trap states sigma1, which increases with higher trap concentration. The extended Hoesterey-Letson equation agrees with the data in a broad concentration range as well. For higher trap densities of NTDATA the theoretical values of the effective width sigma-eff decrease faster than in the experiment because the inter trap transport is overestimated in the simulation, respectively the determination of sigma-eff by linear regression from the experimental data is not well-defined. The application of the molecular doped photoconductors in hybrid solar cells showed at first an unexpected weak dependence of the characteristic parameters of the solar cell on the mobility. The reason for this was found to be the much higher charge concentration in the hole conductor during the photovoltaic characterization compared to the time-of-flight measure-ments. This causes an occupation of the trapping states, who thus do not lower the transport speed anymore, increasing the effective mobility. Intensity dependent measurements on the solar cells show that only monomolecular recombination occurs during the transport, which means that the trapping states do not act as recombination centers. Therefore it could be demonstrated in this work for the first time that trap reduced mobility is not the limiting factor of the solar cell efficiency as long as bimolecular recombination is absent in the material.