Structure-Property Correlation of Electron Transport Materials in Organic Devices

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Muth, Mathis-Andreas:
Structure-Property Correlation of Electron Transport Materials in Organic Devices.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

This dissertation deals with organic semiconductors as electron acceptor (n-type) materials in bulk heterojunction (BHJ) solar cells. Important features of an electron acceptor are strong visible light absorption, sufficient high electron mobility and appropriate energy levels with respect to the donor. Furthermore, the blend morphology of donor and acceptor is crucial for the device performance. Within this thesis, the synthesis and characterization of novel n-type polymers is reported and various techniques to evaluate the above mentioned parameters for n-type small molecules and polymers are presented. The aim was to investigate the impact of chemical structure on the optical and electronic properties and morphology of these semiconductors. Successful strategies how to control and improve light harvesting, electron mobility, blend morphology and solar cell performance were identified. The fundamental question of charge transport properties of the materials was addressed by fabricating single carrier devices using the SCLC (space-charge limited currents) method. The morphology was primarily investigated by atomic force microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD). The first part of this thesis focuses on perylene imide based small molecules and polymers. The side groups of a series of N-substituted perylene bisimides (PBI) were found to play a crucial role on crystallinity and charge transport. The nature of the side groups had great impact on the crystalline structure and electron mobility. When hydrophilic oligoethylenglycol (OEG) side groups were present, the perylene molecules aligned in highly ordered hexagonal or lamellar columns and realized high electron mobilities of up to 7∙10E-3 cm2V-1s-1, while the perylene derivative with only hydrophobic alkyl chains only showed 3∙10E-5 cm2V-1s-1. The substituents at the perylene core also had a major impact on the blend morphology of OPV devices when these materials were used in combination with a donor polymer. Here, we were able to tune the extent of phase separation between donor and acceptor via hydrophilic-hydrophobic interactions of donor polymer and acceptor side groups. To improve light harvesting of perylene compounds, the pi-electron system of PBIs was altered and highly soluble, novel perylene side chain polymers (PPDB and PPDI) were synthesized by nitroxide mediated radical polymerization (NMRP). The pendant perylene moieties were perylene diester benzimidazole (PDB) and perylene diester imide (PDI). Compared to polymers bearing PBI side groups, the visible light absorption of PPDB was broadened and red shifted, whereas a narrower and blue shifted absorption was observed for PPDI. Remarkably, also the electronic nature of the two materials was affected by the modification at the perylene core, as PPDB is an n-type semiconductor and PPDI has a more pronounced p-type character. A comparative study of perylene side-chain polymers synthesized by a combination of NMRP and “click” chemistry revealed that the compound with improved optical properties (PPDEB) exhibited worse charge carrier mobility compared to PPBI. Another striking result was found as an amorphous polymer bearing OEG side chains showed a better electron mobility than the corresponding material with alkyl chains, which was liquid crystalline. A very high electron mobility of 1∙10E-2 cm2V-1s-1 was measured. The second part of this dissertation addresses fullerene based acceptor materials, among which Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) is the state-of-the-art n-type semiconductor used in OPV. For two fullerene derivatives, Bis-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (bis-PCBM) and Bis-o-quino-dimethane C60 (bis-oQDMC), the LUMO energy levels were higher compared to PCBM. As a result, improved open circuit voltages (Voc) in BHJ solar cells were obtained. The efficiency however did not improve, because of reduced short circuit current densities (Jsc). We found that for the bis-PCBM system, Jsc was limited by low electron transport, while for the bis-oQDMC system an unfavorable blend morphology hampered the performance. The problem of low electron mobility could be overcome by reducing the thickness of the active layer and higher Jsc and overall device performance could be achieved. A drawback of fullerene small molecules is that diffusion, aggregation and crystallization of these molecules within BHJ blends can often negatively affect the stability of the blend morphology and reduce the device performance. We discovered that aggregate and crystallite formation in novel fullerene side chain polymers could be successfully suppressed, whilst high electron mobility and better film properties were achieved. Altogether, new insights into structure-property relation of organic electron transport materials are presented in this work. Moreover, the detailed analysis of charge transport helped to understand the performance of solar cells.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation befasst sich mit organischen Halbleitern als Elektronakzeptor- oder n-typ Materialien in „Bulk Heterojunction“ (BHJ) Solarzellen. Wichtige Eigenschaften eines Akzeptors sind eine hohe Absorption des sichtbaren Lichts, ausreichende Elektronenmobilität und auf den entsprechenden Donor abgestimmte Energieniveaus. Außerdem hat die Blendmorphologie von Donor und Akzeptor entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Solarzelle. In dieser Dissertation sind die Synthese und Charakterisierung von neuen n-typ Polymeren sowie verschiedene Techniken zur Bestimmung der oben beschriebenen Parameter für niedermolekulare und polymere n-typ Materialien beschrieben. Ziel war es, den Einfluss der chemischen Struktur auf die optischen und elektronischen Eigenschaften und die Morphologie dieser Halbleiter zu bestimmen. Erfolgreiche Strategien um Lichtabsorption, Elektronenmobilität, Blendmorphologie und Solarzelleneffizienz zu kontrollieren und zu verbessern, konnten herausgearbeitet werden. Die grundlegende Frage nach dem Ladungstransport der zu untersuchenden Materialien wurde mittels der SCLC- („space-charge limited currents“) Methode beleuchtet. Die Morphologie wurde in erster Linie mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit niedermolekularen Verbindungen und Polymeren auf Perylenimidbasis. Bei einer Reihe von N-substituierten Perylenbisimiden (PBI) zeigte sich, dass die Art der Seitengruppensubstituenten bedeutenden Einfluss auf die Kristallinität und den Ladungstransport haben. Bei Oligoethylenglycol- (OEG) Seitengruppen, richteten sich die Perylenmoleküle in hochgeordneten hexagonalen oder lamellaren Kolumnen aus, wobei hohe Elektronenmobilitäten von bis zu 7∙10E-3 cm2V-1s-1 erreicht wurden, während das Perylenderivat mit Alkylseitengruppen nur 3∙10E-5 cm2V-1s-1 zeigte. Zudem hatten die Substituenten am Perylengerüst entscheidenden Einfluss auf die Blendmorphologie von OPV Zellen. Die Phasenseparation zwischen Donor und Akzeptor konnte hierbei kontrolliert werden. Um die Lichtabsorption von Perylenverbindungen zu verbessern, wurde das Pi-Elektronensystem der PBIs variiert und hochlösliche, neue Perylenseitenkettenpolymere (PPDB und PPDI) mit Hilfe der Nitroxid-vermittelten radikalischen Polymerisation (NMRP) synthetisiert. Die Perylenseitenketten bestanden aus Perylendiesterbenzimidazol (PDB) und Perylendiesterimid (PDI). Verglichen mit Polymeren, die PBI- Seitengruppen besitzen, war die Lichtabsorption von PPDB spektral verbreitert und rotverschoben, während eine schmalere und blauverschobene Absorption bei PPDI beobachtet wurde. Bemerkenswerterweise wurden auch die elektronischen Charakteristika durch die Modifikation am Perylengerüst beeinflusst, da PPDB ein n-typ Halbleiter ist, jedoch bei PPDI der p-typ Charakter ausgeprägter ist. Eine Vergleichsstudie von Perylenseitenkettenpolymeren, die mittels einer Kombination aus NMRP und „Click“-Chemie synthetisiert wurden, verdeutlichte, dass die Verbindung mit verbesserten optischen Eigenschaften (PPDEB) einen schlechteren Ladungstransport im Vergleich zu PPBI zeigte. Als eine weitere wichtige Erkenntnis gilt, dass ein amorphes Polymer mit OEG Gruppen eine bessere Elektronenmobilität aufwies, als das entsprechende Material mit Alkylketten, welches flüssig-kristallin war. Eine sehr hohe Elektronenmobilität von 1∙10E-2 cm2V-1s-1 wurde gemessen. Der zweite Teil dieser Dissertation handelt von Fulleren-Akzeptormaterialien. Hierbei gilt Phenyl-C61-butylsäuremethylester (PCBM) als n-typ Material Stand der Technik bei OPV Anwendungen. Für die beiden Fullerenderivate Bis-Phenyl-C61-butylsäuremethylester (bis-PCBM) und Bis-o-quino-dimethan C60 (bis-oQDMC) sind die LUMO Energieniveaus höher als bei PCBM. Infolge dessen konnten höhere Leerlaufspannungen (Voc) in BHJ Solarzellen erhalten werden. Die Gesamteffizienz verbesserte sich jedoch aufgrund der verringerten Kurzschlussstromdichte (Jsc) nicht. Wir ermittelten, dass für das bis-PCBM-System Jsc durch einen schlechteren Elektronentransport limitiert war, während bei dem bis-oQDMC-System eine unpassende Blendmorphologie der Grund für eine niedrige Effizienz der Solarzelle war. Das Problem der niedrigen Elektronenmobilität konnte durch Verringern der aktiven Schichtdicke umgangen und somit eine höhere Jsc sowie eine höhere Gesamteffizienz der Solarzelle erreicht werden. Ein Nachteil niedermolekularer Fullerene ist ihre Diffusion, Aggregation und Kristallisation in BHJ Blends, was häufig die Stabilität der Blendmorphologie beeinträchtigt. Wir entdeckten, dass die Aggregat- und Kristallitbildung in neuen Fullerenseitenkettenpolymeren erfolgreich unterdrückt, gleichzeitig aber hohe Elektronenmobilitäten und bessere Filmeigenschaften erhalten werden konnten. Zusammenfassend weist diese Arbeit neue Erkenntnisse über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen organischer Akzeptormaterialien auf.