Dynamics of photoexcited charge carriers in self-organized organic bulk semiconductors

• Applicant: Professor Dr. Vladimir Dyakonov
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 207601309

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im P6-Projekt lag der Schwerpunkt auf experimentellen Untersuchungen zur Ladungstrennung an den Grenzflächen von molekularen Volumenhalbleitern und deren mikroskopischem und makroskopischem Ladungstransport. Der Ladungstransport wurde mit zwei komplementären Methoden untersucht: der (lokalen) transienten Mikrowellenleitfähigkeit sowie der (integralen) transienten Photoleitfähigkeit. Die Apparatur zur Bestimmung der mikroskopischen Mikrowellenleitfähigkeit TRMC wurde erfolgreich konzipiert, aufgebaut und getestet. Die Besonderheit des einsatzfähigen Systems besteht in der Kombination der Mikrowellentechnik und der optischen, transienten Absorption in einem einzigen Aufbau, der es ermöglicht, die hochfrequente Leitfähigkeit der Probe in Abhängigkeit von der Temperatur ohne elektrische Kontakte zu bestimmen. Die Kombination der Mikrowellentechnik, der Optik im sichtbaren bis NIR mit variablen Umgebungstemperaturen stellte eine große Herausforderung dar, die jedoch erfolgreich gemeistert wurde. Die Anwendung dieses Messverfahrens auf organische Halbleitersysteme in Lösung erwies sich jedoch als schwierig. Im Allgemeinen hat die TRMC-Methode ihre Empfindlichkeitsgrenzen sowohl in Bezug auf die Ladungsträgerdichte als auch auf die Ladungsträgerbeweglichkeit, so dass das Optimum im Mobilitätsbereich zwischen 10^-1 und einigen 100 cm2/Vs liegt, was ihre Anwendbarkeit auf geordnete oder sogar kristalline Systeme (organisch, hybrid, anorganisch) stark begünstigt. So erwies sich beispielsweise unser TRMC-Aufbau als sehr nützlich für temperaturabhängige Mobilitätsbestimmungen in neuartigen organisch-anorganischen Perowskiten. Die experimentellen Untersuchungen der sogenannten makroskopischen Leitfähigkeit wurden mittels der Methode TDCF realisiert. Dieses Verfahren gehört zur Kategorie der transienten Photoleitfähigkeit und wurde im Rahmen von FOR1809 weiterentwickelt und voll etabliert. Mit TDCF wurden z.B. Mischsysteme aus Polymeren und Fullerenen unterschiedlicher Morphologie im Hinblick auf die Ladungstrennungseffizienz und Rekombination untersucht. Eine Besonderheit des ausgewählten konjugierten Copolymers pBTTTT ist seine Fähigkeit, sogenannte bimolekulare Kristalle zu bilden. Dies eröffnete die Möglichkeit, durch die Variation der Fulleren-Konzentration, die Grenzfläche und die Kristallisation zu variieren, die sich in der Quantenausbeute der Ladungsträgergeneration sichtbar macht. Diese Arbeit entstand in der internationalen Zusammenarbeit mit Kollegen in Standford (A. Salleo, K. Vandewal), die die Idee der bimolekularen Kristalle stark vorangetrieben haben. Die in unserem Projekt entwickelte Mikrowellen-Expertise wurde genutzt, um das Spektrum der mikrowellenbasierten Methoden zur Untersuchung der lichtinduzierten Dynamik in organischen Volumenhalbleitern und darauf basierenden Bauelementen (OLED, Solarzellen) zu erweitern. In P6 wurde in der zweiten Förderperiode eine weitere Variante der transienten Mikrowellenspektroskopie entwickelt, die das ESR-Prinzip voll anwendet, aber dennoch selektiv die Dynamik von Elektrolumineszenz, Photolumineszenz oder Photostrom spin-empfindlich untersucht. Dies hat es nun ermöglicht, die Rolle von Triplett-Exzitonen bzw. der CT-Zuständen in organischen OLEDs und Solarzellen zu verstehen.

Publications

• “Anisotropy of singlet exciton diffusion in organic semiconductor crystals from ab initio approaches,” J. Chem. Phys. 140, 024503 (2014)
  V. Stehr, B. Engels, C. Deibel, and R. F. Fink
  
• “Effects of Characteristic Length Scales on the Exciton Dynamics in Rubrene Single Crystals,” Phys. Rev. B 90, 205305 (2014)
  B. Gieseking, T. Schmeiler, B. Müller, C. Deibel, B. Engels, V. Dyakonov, and J. Pflaum
  
• “Singlet exciton diffusion in organic crystals based on Marcus transfer rates,” J. Chem. Theory Comput. 10, 1242-1255 (2014)
  V. Stehr, R. F. Fink, B. Engels, J. Pflaum, and C. Deibel
  
• “The Crucial Influence of Fullerene Phases on the Photogeneration in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells,” Adv. Energy Mater. 4, 17, 1400922 (2014)
  A. Zusan, K. Vandewal, B. Allendorf, N. H. Hansen, J. Pflaum, A. Salleo, V. Dyakonov, and C. Deibel
  
• “Direct Observation of Spin States involved in Organic Electroluminescence Based on Thermally Activated Delayed Fluorescence,” Adv. Optical Mater. 5, 1600926 (2017)
  S. Väth, K. Tvingstedt, M. Auth, A. Sperlich, A. Dabuliene, J. V. Grazulevicius, P. Stakhira, V. Cherpak, and V. Dyakonov
  
• “Photophysics of Deep Blue Acridane- and Benzonitrile-Based Emitter Employing Thermally Activated Delayed Fluorescence,” J. Phys. Chem. C 122, 22796 (2018)
  N. A. Drigo, L. G. Kudriashova, S. Weissenseel, A. Sperlich, A. J. Huckaba, M. K. Nazeeruddin, and V. Dyakonov
  
• “Getting the Right Twist: Influence of Donor-Acceptor Dihedral Angle on Exciton Kinetics and Singlet-Triplet Gap in Deep Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters” (2019)
  S. Weißenseel, N. A. Drigo, L. G. Kudriashova, M. Schmid, T. Morgenstern, K.-H. Lin, A. Prlj, C. Corminboeuf, A. Sperlich, W. Brütting, M. K. Nazeeruddin, and V. Dyakonov
  
• “Optically and electrically excited intermediate electronic states in donor:acceptor based OLEDs” (2019)
  N. Bunzmann, S. Weißenseel, L. Kudriashova, J. Grüne, B. Krugmann, J. V. Grazulevicius, A. Sperlich, and V. Dyakonov