Der Einfluss von Aggregation auf optoelektronische und morphologische Eigenschaften von π-konjugierten Halbleitermaterialien

Titelangaben

Reichenberger, Markus:
Der Einfluss von Aggregation auf optoelektronische und morphologische Eigenschaften von π-konjugierten Halbleitermaterialien.
Bayreuth , 2017 . - V, 225 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Auf der Suche nach einer neuen Generation von effizienten und zugleich umweltfreundlichen Technologien hat sich in dem Bereich der optoelektronischen Bauteile die organische Elektronik etabliert. Sie ist ein innovatives Technologiefeld, an dem weltweit verschiedene Forschungsgruppen und Unternehmen intensiv forschen. Mittlerweile sind beispielsweise organische Solarzellen und organische Leuchtdioden auf dem Markt erhältlich. Die Effizienz dieser Bauteile wurde industriell meistens nur durch systematisches Durchtesten verbessert, basierend auf den aus der Photophysik bekannten, grundlegenden Prozessen und Phänomenen in der funktionalen Schicht der organischen Bauteile. Die Morphologie des organischen Films in der funktionalen Schicht und damit insbesondere die Aggregation von π-konjugierten Materialien, beeinflusst entscheidend die Funktionsfähigkeit und die Effizienz von organischen optoelektronischen Bauelementen. Um gezielt eine Kontrolle über die Eigenschaften von π-konjugierten Halbleitermaterialien zu erreichen und damit systematisch die Leistung von organischen Bauteilen zu optimieren, muss die Aggregation dieser Materialien besser verstanden werden.

Wie kann die Aggregation kontrolliert erzeugt und gesteuert werden, wie läuft die Aggregation ab und zu welchem Grad lassen sich π konjugierte Halbleiter aggregieren? Die vorliegende Dissertation trägt zu der Beantwortung derartiger Fragen bei und setzt es sich zum Ziel, neues Wissen über den generellen Mechanismus der Aggregatbildung in π konjugierten Halbleitermaterialien zu generieren und dessen Einfluss auf optoelektronische und morphologische Eigenschaften herauszustellen. Der Fokus liegt dabei auf der strukturierten Erforschung und gezielten Analyse des Aggregationsprozesses von π konjugierten Polymeren und Molekülen in drei Szenarien: In der Lösung, bei der Filmbildung und in dem dünnen Film. Dabei werden Parameter wie die Lösungs¬konzentration, das Lösungsmittel, die Additiv-Verwendung und die Temperatur variiert.

Die Dissertation kann in zwei Teile untergliedert werden: In dem ersten Teil befassen sich die Publikationen der Kapitel 4.1 und 4.2 mit dem Aggregationsverhalten und der Aggregationskinetik von reinen Polymersystemen unter dem Einfluss eines Lösungsmitteladditivs und der Spincoating Temperatur. Dies erfolgt an den Beispielen der Homopolymere P3HT und PFO sowie der Low-Bandgap-Polymere PCE11 und PCPDTBT. In dem zweiten Teil fokussieren sich die Publikationen der Kapitel 4.3 und 4.4 auf den Aggregationsmechanismus von löslichen kleinen Molekülen, vor allem bei dem Kühlen einer Lösung anhand der Beispiele p DTS(FBTTh2)2 („T1“) und p SIDT(FBTTh2)2 („H1“). Die organischen Halbleiter dieser Doktorarbeit haben sich als Standardmaterialien etabliert und werden erfolgreich als Donator-Materialien in hocheffizienten organischen Bauteilen eingesetzt. Der methodische Schwerpunkt liegt auf der optischen Spektroskopie, die in dem ersten Teil mit der Morphologieanalyse und in dem zweiten Teil mit Simulationen kombiniert wird.

Abstract in weiterer Sprache

In search of a new generation of efficient and together ecologically beneficial technologies, organic electronics has established itself in the field of optoelectronic devices. It is an innovative field of technology, at which different research groups and companies are studying worldwide. By now, market offers for example organic solar cells and organic light emitting diodes. Industrially, the efficiency of such devices has only been improved by screening, based on the fundamental processes and phenomena in the functional layer of the organic devices known from photophysics. The morphology of the organic film in the functional layer and thus particularly the aggregation of π-conjugated materials crucially impacts on the functioning and on the efficiency of organic optoelectronic devices. To deliberately achieve control of the properties of π-conjugated semiconductor materials and thus to systematically improve the performance of organic devices, the aggregation of these materials has to become better understood.

How to induce and control the aggregation, how does the aggregation take place and up to which degree is it possible to aggregate π-conjugated semiconductors? The dissertation at hand is conductive to answering those questions and aims for generating new knowledge about the general mechanism of aggregate formation in π-conjugated semiconductor materials and for pointing out its influence on optoelectronic and morphological properties. For this purpose the focus is set on the structured investigation and targeted analysis of the aggregation process of π-conjugated polymers and molecules in three settings: in solution, during film formation and in the thin film. Here, parameters like the concentration of the solution, the solvent, the use of an additive and the temperature are varied.

The dissertation can be subdivided into two parts: in the first part, the publications of chapters 4.1 and 4.2 deal with the aggregation behavior and the kinetics of aggregation of pure polymer systems under the influence of a solvent additive and of the spin coating temperature. This is carried out for the homo-polymers P3HT and PFO as well as for the low-bandgap polymers PCE11 and PCPDTBT by way of example. In the second part, the publications of chapters 4.3 and 4.4 focus on the mechanism of aggregation of soluble small molecules, mainly by cooling a solution using p DTS(FBTTh2)2 (“T1“) und p SIDT(FBTTh2)2 (“H1“) as examples. The organic semiconductors used in this dissertation have established themselves as standard materials and are successfully used as donor materials in highly efficient organic devices. The main methodic focus is based on optical spectroscopy, combined with morphological analysis in the first part and with simulations in part two.