Organic semiconductor material and device characterization by low-frequency noise and admittance spectroscopy of polymer: fullerene solar cells and silicon/organic thin film heterodiodes

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Gebiet der organischen Elektronik, welches zunehmendes Interesse fur die Entwicklung von flexiblen, grosflachigen und kostengunstigen elektronischen Anwendungen hat, zum Beispiel fur die Entwicklung von organischen Leuchtdioden, Dunnfilmtransistoren und Solarzellen. Die vorliegende Arbeit beschreibt zunachst, die Anwendung von elektronischer Niederfrequenz-Rauschspektroskopie zur Charakterisierung von organischen elektronischen Bauelementen als innovative und zerstorungsfreie Messmethode. Insbesondere die, durch Temperatur-Stress bedingte, Modifizierung der elektronischen Transportparameter der nicht beleuchteten Bulk-Heterojunction-Polymer-Solarzelle wird im Detail diskutiert. Bei der untersuchten organischen Solarzelle handelt es sich um eine Solarzelle, in welcher die aktive Schicht aus einer Mischung von Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) und [6,6]-phenyl-C61-buttersaure-methylester (PCBM) besteht. Dies ist die klassische Referenzstruktur fur Polymer-Solarzellen. Vor der irreversiblen Anderung der aktiven Schicht kann die Solarzelle bei niedrigen Frequenzen als Parallelschaltung zwischen einem zeitlich fluktuirendem Widerstands RX(t) und einer Kapazitat CX modelliert werden. Die unter Gleichvorspannung injizierten Ladungstrager in der aktiven Schicht andern die aquivalente elektrische Impedanz verandert damit auch die Rauschspektren. Die experimentelle Spektralkurve kann mittels eines theoretischen Modells auf der Basis der Kapazitat Cμ, die durch die berschuss-Minoritatsladungstrager in der aktiven Schicht bestimmt wird, und des Widerstands Rrec interpretiert werden. Das gemessene elektrische Rauschen hat eine 1/f Charakteristik bis zu einer Grenzfrequenz fx. Fur hohere Frequenzen wird eine eine 1/f3 Abhangigkeit beobachtet. Die Analyse des Wertes von fx gibt Informationen uber die Rekombinationslebensdauer der Elektronen in der aktiven Schicht, wahrend die Spannungsabhangigkeit von C Informationen uber die Zustandsdichte fur das niedrigste unbesetzte Molekulorbital (LUMO) im PCBM Material ermoeglicht. Des Weiteren wurde die Niederfrequenz- Rauschspektroskopie verwendet, um Anderungen der aktiven Schicht der Polymer- Solarzelle durch thermische Belastung zu untersuchen. Die Temperatur wurde als eine der externen Parameter, die die Solarzellendegradation beschleunigen, identifiziert. Die VII Analyse des elektrischen Rauschens bei niedrigen Frequenzen ergibt eine deutliche Abnahme der Ladungstragernullfeldbeweglichkeit wahrend eines Temper-Zyklus. Dieser Effekt wurde auf morphologischen Veranderungen der aktiven Schicht der Solarzelle und der Grenzflache zwischen dem Metallkontakt und der aktiven Schicht zuruckgefuhrt. Auserdem wurde der Einflus der Verwendung verschiedener Losungsmittelzusatze wahrend des Filmherstellung auf die elektronischen Transportparameter in den Solarzellen mittels Rausch-Spektroskopie untersucht, und durch einen ausfuhrlicher Vergleich der optoelektronischen Eigenschaften von Solarzellen, welche mit verschiedenen Losungsmitteln hergestellt worden sind, erganzt. Einerseits ist eine auf P3HT/PCBM basierende Bulk Heterojunction-Solarzelle einer der prominentesten Kandidaten fur eine Polymer-Solarzelle, aber auf der anderen Seite, wird ihre Umwandlungseffizienz durch relative niedrige Photonenabsorption im langwelligen Spektralbereich begrenzt. Eine Moglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhohen, ist die Absorption in der aktiven Schicht durch Zugabe von Materialien, die Licht im roten und infraroten Spektralbereich absorbieren, zu erhohen. Eine der vielversprechendsten Materialklassen fur diese Aufgabe sind anorganische Quantenpunkte (QD). In der vorliegenden Studie wurden InP/ZnS-Quantenpunkte mit einem Emissionswellenlangenmaximum von etwa 660 nm zu diesem Zweck untersucht. Diese wurden mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanorohren kombiniert, um die Ladungstragertrennung zu begunstigen und die laterale Leitfahigkeit der organischen Filme zu verbessern. Die Nanoteilchen wurden durch Spin-coating zusammen mit einer nicht-leitenden Matrix-Polymer Losung (PMMA) auf Glas- und Silizium-Substrate aufgebracht, um die Wechselwirkung zwischen den Quantenpunkten und der Kohlenstoff-Nanorohren und deren elektrische Leitfahigkeit unabhangig vom zukunftigen Wirtsmaterial in der Polymer-Solarzelle zu untersuchen. Die QDKonzentration wurde dabei konstant gehalten und die Konzentration der CNTs in dem abgeschiedenen Film variiert. Die Charakterisierung der Filmmorphologie durch Rasterelektronenmikroskopie und der optischen Eigenschaften mittels Photolumineszenz-und Transmissionsmessungen zeigten ein ziemlich komplexes Zusammenspiel zwischen Nanorohren und Quantenpunkten. Insbesondere wurde eine starke Neigung der Nanorohren festgestellt, sich im Falle hoher Konzentrationen von CNTs in Kugelform anzuordnen. Messungen der elektrischen Leitfahigkeit in Sandwich-Konfiguration wurden durchgefuhrt, um den Grad der Zunahme der Leitfahigkeit der Probe durch die Nanorohren zu uberprufen. Im Falle der Messungen VIII in Sandwichkonfiguration, wobei die PMMA/CNT Filme direkt auf einem kristallinen Siliziumsubstrat abgeschieden wurden, zeigte die Bildung einer Art von Schottky-Diode mit einer monotone Abnahme der Schwellspannung in Vorwartsrichtung mit zunehmender CNT-Konzentration. Daruber hinaus ist die Abnahme der Lichtdurchlassigkeit der leitenden Duennschichten mit steigender CNT-Konzentration weniger ausgepragt, wenn Quantenpunkte hinzugegeben wurden. Die optische Durchlassigkeit in einem Wellenlangenbereich zwischen 380 nm und 800 nm der Verbundstoffe aus PMMA und Nanopartikeln konnte empirisch als einfaches Polynom zweiter Ordnung ausgedruckt werden. Im vorletzten Teil der Arbeit, wird die Synthese und die Charakterisierung mittels Struktur- und thermischer Analyse, sowie Infrarot-Spektroskopie von einer neuen Art von “kleinen Molekulen” untersucht. Diese, “Zn (OC)2“ genannten Molekule, wurden von Kollegen der Universitat Salerno synthetisiert. Strom-Spannungs-Messungen von Ag/ Zn(OC)2/p-Si und Ag/Zn(OC)2/n-Si Heterodioden wurden durchgefuhrt und mit Messungen an Referenzstrukturen mit den gleichen Metallkontakten, jedoch ohne die Einfugung der organischen Schicht, verglichen. Gutes Gleichrichtungsverhalten wurde fur beide Typen von Heterodioden mit der organischen Schicht, unabhangig von dem Siliziumsubstrat-Dotierungstyp beobachtet. Dies bestatigt, dass die organische Schicht sowohl als als Elektronen- als auch als Locherleiter verwendet werden kann. Die Zn(OC)2-Komplexe zeigten starke blaue Photolumineszenz in Losung und im Film.