Photonische Materialien 9. Vorlesung

Transkript

1 Photonische Materialien 9. Vorlesung Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1) Lumineszenz-Label (1) Supramolekulare und biologische Systeme (1) Halbleiter Nanopartikel (2) Quanten-Well-Strukturen (1) Metallische Nanopartikel Solarzellen (1) Organische Leuchtdioden und Solarzellen (1) Flüssige Kristalle (2) Photonische Kristalle (1) Optisch aktive Materialien (1).

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3 Dotierung von Si-Halbleitern

4 Wirkungsweise: Bildung Grenzschicht

5 Funktionsprinzip

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7 Strom-Spannungskennlinie

8 Kristallines Silizium Schneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)

9 Polykristtalines Silizium Erstarren von Siliziumschmelze

10 Staebler-Wronski effect Amorphes Silizium -40 x höhere Absorption a:si a:sih Dangling Bonds: -Hohe Ladungsbeweglichkeit -Photochemische Reaktion

11 Theoretischer Wirkungsgrad

12 Leistungsdaten Solarzelle Leerlaufspannung 0,5 V Strom 2,5 A bei 1000 W/qm Reihenschaltung

13 Wirkungsgrade von Solarzellen

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15 Organische Halbleiter: Photodioden und Solarzellen Organische Materialien als Halbleiter Organische Solarzellen Grätzelzelle Photochromie Löcherleitung Organische Batterie Organische Fotodioden (OLEDS)

16 Organische Halbleiter HOMO LUMO Leitfähigkeit Bandlücke Chemische Modifikationen Leitfähige Polymere Herstellungsprozess Literatur: Wolfgang Brütting (Hrsg.) Physics of Organic Semiconductors, ISBN X Wiley-VCH (2005)

17 HOMO - LUMO Highest Occupied Molecular Orbital Lowest Unoccupied Molecular Orbital

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19 Optische Eigenschaften

20 Elektron - Lochpaare

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22 Leitfähigkeit

23 Leitfähigkeit π Konjugation Geringe Ladungsträgerkonzentration Geringe Leitfähigkeit Heeger, McDiarmid, Shirakawa : Nobelpreis Chemie 2000

24 Ladungsträgererzeugung

25 Konjugierte Systeme PPV Polypyrrole Aromatische Kohlenwasserstoffe Chelate

26 Konjugierte Polymere Polyacetylen Polypyprol (PPyr) Polythiophen

27 Organische Solarzelle Materialien Ladungstransfer Rekombinationskinetik Kontakte Stabilität

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32 Schichtstruktur einer organischen Solarzelle. Zn-Phthalocyanin dient als Donator, C60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen.

33 Donor-Akzeptor Systeme

34 Organische Solarzelle

35 Konjugierte Polymere Polyacetylen Polypyprol (PPyr) Polythiophen

36 Komposite Kathode Akzeptor Donor Transparente Anode Querschnitt durch eine organische Solarzelle. Die idealisierte Skizze zeigt den Nanokomposit aus den organischen Halbleitern.

37 Herstellungstechniken MBE Spin Coating Rakel (Rasor Blade) Technik (für Polymere) Lithographische Strukturierung

38 Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)

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40 Molekulare Epitaxie

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42 Spin- Coating

43 Amorphe Dünnschichtsysteme

44 Spin Coater

45 Lithographie Buried-contact organic solar cells (SEM-images of crossections): a) Substrate with evaporated electrodes, b) Cavities filled with active polymer, coated with PEDOT and an Au-electrode.

46 Cell-concepts of organic solar cells: a) Light trapping with diffraction gratings, b) buried nano-electrodes

47 Verteilung optisches Feld

48 Tandem Zellen

49 Grätzel Zelle

50 Grätzel

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53 2 Fs* + 2 TiO2 2 Fs+ + 2 (TiO2 + e-)

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55 Löcherleitung

56 Photochromie Photoelektrochromic cell with solid electrolyte in the bleached state and coloured

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58 Organische Batterie

59 Elektrolumineszenz Polymere : Friend 1990 PPV

60 OLED: Organic Light Emitting Diode

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63 Konjugierte Polymere PPV (erstes Material, aus dem OLEDs hergestellt wurden). Emissionsmaximum PPV: 551 und 520 nm (grün). Polypyrrol (PPy) Polyfluoren (PF) Polythiophen (PT).

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65 Interface

66 Energiediagramm

67 ITO/PPV/MEH-CN-PPV/Al

68 OLED - Materialien Kleine Moleküle Elektrolumineszenz Polymere Phosphoreszenz Patterning

69 Kleine Moleküle Al q3

70 Hole Injection Hole conduction Hole Blocking Electron conduction

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72 Konjugierte Polymere

73 Alq3

74 Anforderungen Leitfähigkeit Chromophor

75 Leitfähige Polymere Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- tetramethacrylate or PEDOT-TMA

76 Chromophore Polymere

77 Kombinierte Dioden

78 grün blau

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80 Vorteile von OLEDs Hohe Helligkeit bei starkem Kontrast Keine Hintergrundbeleuchtung Keine Blickwinkelabhängigkeit Videotauglichkeit Weiter Temperaturbereich Vollfarbdisplays und flexible Displays möglich Niedriges Gewicht Kompakte, extrem dünne Bauweise Niedrige Herstellkosten

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