Physik Organischer Halbleiter:

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1 Physik Organischer Halbleiter: Opto- und Mikroelektronik, Photovoltaik, Sensorik Vladimir Dyakonov Experimental Physics VI, Julius-Maximilians-University of Würzburg und Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) 20 Juli 2011

2 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände... are formed at the interface between polymer and fullerene CT-State 2

3 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände Messung der EQE Externe Quantenausbeute, EQE EQE = # of extracted e h pairs # incident photons 08. Juni 2010 Energieseminar 10 3

4 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände EQE einer P3HT:PCBM-Solarzelle Externe Quantenausbeute, EQE Diplomarbeit M. Binder EQE einer P3HT-PCBM-Solarzelle EQE in a P3HT-PCBM solar cells 4

5 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände EQE einer P3HT:PCBM-Solarzelle Externe Quantenausbeute, EQE EQE in EQE a P3HT-PCBM einer P3HT-PCBM-Solarzelle: solar cells: Im nahinfrarotem almost no contribution Bereich (!>750 to photocurrent nm) fast kein EQE-Signal IR (λ>750 nm) 5

6 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände EQE einer P3HT:PCBM-Solarzelle Externe Quantenausbeute, EQE Diplomarbeit M. Binder EQE in a semi-log: logarithmische Auftragung: gaussförmig abfallende Gauss lanke shaped! shoulder auf Absorption due to im absorption reinen Material in pure zurückzuführen? materials? 6

7 Einschub: Coulomb gebundene CT Zustände EQE einer P3HT:PCBM-Solarzelle Externe Quantenausbeute, EQE Vergleich EQE-Gemisch zur EQE der reinen Materialien: EQE of blend cannot be reproduced by superposition of spectra EQE des Blends lässt sich nicht durch Superposition der puren Materialien reproduzieren 7

8 Zu guter Letzt: arbstoff-solarzelle Mehr dazu unter 8

9 eue Konzepte der Photovoltaik The solution: 2!1 or 1!2 conversion of photons Photon-to-photon conversion (occurs outside PV cell) The solution: 2!1 or 1!2 conver (forof E photons <!E ) Upconversion: Combine 2 low E photons into a single high E photon photon bandgap Photon-to-photon conversion (occurs outside PV cell) Downconversion (Quantum Cutting): Split 1 high E photon into 2 low E photons Upconversion: Combine 2 low E photons into a single high E photon tandem solar cells ) Ephoton<!Ebandga (for (2010) Ephoton>!E (for MEG (Science 330) bandgap Downconversion (Quantum Cutting): Split 1 high E photon into 2 low Photon-to-exciton conversion (occurs inside PV cell) Multiple Exciton Generation (inorganic nanocrystals): S1* (for Ephoton>!Eband +/+/S +/+/S Convert 1 high energy photon into 2 (or S * (occurs inside PV cell) Photon-to-exciton conversion more) lower energy excitons with same * S down converter Multiple Exciton Generation (inorganic nanocrystals): 1 spin multiplicity Convert 1 high energy photon into 2 (or Exciton ission (organicmore) molecules): lower energy excitons with same spin multiplicity Convert 1 high energy photon into 2 (or * T1* 1 more) lower energy excitons of different Exciton ission (organic molecules): spin multiplicity Convert 1 high energy photon into 2 (or T1* S up converter more) lower energy excitons of different exciton fission spin multiplicity * * 1 9 S1* S1* T1* T1*

10 eue Konzepte der Photovoltaik Several ways of doing this 1. tandem solar cells 2. up-conversion 3. down-conversion 4. multiple excitons generation, MEG (inorganic C) converts 1 high energy photon to 2 low energy excitons 5. exciton fission converts 1 high energy photon to 2 low energy excitons 6. triplet-triplet fusion (annihilation) converts 2 low energy photons to 1 high energy singlet excitons 10

11 Heute Einführung und Motivation 1. Elektronische Struktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen 2. Spezialbeispiel: Polyacethylen 3. Ladungsträger in organischen Halbleitern 4. Optische Eigenschaften 5. Grundlagen des Ladungstransports 6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger 7. Bauelementtechnologie 8. Leuchtdioden (OLED) 9. Solarzellen (OSZ) 10. Andere Anwendungen: Transistoren (OET), organische Laser, Sensoren 11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter 11

12 Organischer eldeffekt-transistor "transfer resistor" PRI, Japan Philips Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren werden eldeffekttransistoren durch elektrisches eld gesteuert 12

13 Active Matrix Displays!"#$%&'()#*$+,-$./$0'1*23#)4,5$364)2,7!(-158 TT C LC polarizer black matrix color filter glass frontplane top LC electrode TT source gate electrode drain glass backplane liquid crystal bottom LC electrode white backlight aus dem Vortrag H. Klauk 13

14 Active Matrix Displays!"#$%&'#()#*)+,-./)0%12&34&5)0'65 Abb. aus dem Vortrag H. Klauk 14

15 Active Matrix Displays Samsung, Sony forge ahead on Gen 8 line!"#$%&'()*&+(,-./0(-"&%1"23%45&'(67"&3(5&(8"&'9*:&';<:4*" 14 July 2006 SEOUL, South Korea A slumping display market did not stop Samsung,&&%"7(=4:>%235:&? Electronics Co. Ltd. from finalizing a deal with Sony Corp. jointly invest $1.9 billion to build a Gen 8 thin-filmtransistor DE+(#5775:&(>5$=7"$ liquid crystal display (TT-LCD) fab for their joint venture GEH(I# LCD company H >5$=7"("4*" S-LCD Corp., Samsung said in a report riday (July 14). 15

16 Organischer eldeffekt-transistor Man unterscheidet mehrere Arten von eldeffekttransistoren, z.b. Junction ield Effect Transistor (JET) und Metal-Oxid- Semiconductor-ET (MOSET) Beim JET erfolgt die Widerstandsveränderung von Drain und Source durch die Variation der Kanalbreite. Durch Raumladungszonen im pn-übergangsbereich wird die Breite des Kanals beeinflusst und damit die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source. 16

17 Organischer eldeffekt-transistor Die vier Arten des MOSETs: 1. Selbstsperrender Typ (Anreicherungstyp) n Kanalausführung 2. Selbstsperrender Typ (Anreicherungstyp) p - Kanalausführung 3. Selbstleitender Typ (Verarmungstyp) n - Kanalausführung 4. Selbstleitender Typ (Verarmungstyp) p - Kanalausführung 17

18 Organischer eldeffekt-transistor 18

19 Organischer eldeffekt-transistor Bergmann-Schaefer, Grundlagen der Experimentalphysik IGET steht für Isolated-Gate-ield-Effect-Transistor 19

20 Organischer eldeffekt-transistor In einem organischen eldeffekt- Transistor (OET) besteht mindestens die aktive Schicht aus einem organischen, niedermolekularen oder polymeren Halbleitermaterial Häufig verwendete Isolatoren: SiO2 (ε=3.9) Si34 Al2O3 PMMA Ba0.7Sr0.3TiO3(ε=16) 20

21 Organischer eldeffekt-transistor!"#$%&'()*+,)-./"#*%/("01+2"0+30&'#./+4541 "0&'#./+1)-./"#*%/("01 2"0+67/8'##)9+(0'#1.1("01 "0&'#./+1)-./"#*%/("01 2"0+#7/8'##)9+(0'#1.1("01 5'//8)((.G Mater. Today?H EI+DEHHJ 1"9%:9) #"(+1"9%:9) 6)#('/)#) ;<44 J. Si Si 4=>,+6)#('/)#) S S S Adv. Mater. EE KIE+DEH?H S S S n 5?@!%>/ S Org. Electron. J M@I+DEHH@+ n Cu H 17 C 8 O O C 10 H 21 O S >4!;= O C 8 H 17 3 C C 2 2 C C S O O Adv. unct. Mater.?I?BEK+DEHHI n O O C 2 2 C C3 6A444 >BC4 >D<;= E 3;74 E C Adv. Mater. E???@@+DEHHK+ Adv. Mater. E??HK?+DEHHK C 10 H 21 ature Zusammengefasst von H. Klauk 21

22 Organischer eldeffekt-transistor Ganz allgemein wird in einem ET die Leitfähigkeit einer HL- Schicht durch die Variation der Ladungsträgerdichte mit Hilfe eines elektrischen eldes verändert (Lilienfeld 1928) rage: Kann man dünne Metallschichten anstelle der HL nehmen? 22

23 Das nächste Mal Einführung und Motivation 1. Elektronische Struktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen 2. Spezialbeispiel: Polyacethylen 3. Ladungsträger in organischen Halbleitern 4. Optische Eigenschaften 5. Grundlagen des Ladungstransports 6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger 7. Bauelementtechnologie 8. Leuchtdioden (OLED) 9. Solarzellen (OSZ) 10. Transistoren (OET) II 11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter 23