Charge transport and energy levels in organic semiconductors

Autor: Widmer, Johannes
Přispěvatelé: Leo, Karl, Dyakonov, Vladimir, Technische Universität Dresden
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2013
Předmět:
Elektronik
Polymerelektronik
Halbleiterelektronik
Festkörperelektronik
Physik
Angewandte Physik
Festkörperphysik
Amorpher Halbleiter
p-Halbleiter
n-Halbleiter
Metall-Halbleiter-Kontakt
Intrinsischer Halbleiter
Dotierter Halbleiter
Organischer Halbleiter
Halbleiterschicht
Ohm-Kontakt
Organisches Halbleiterbauelement
Fullerene
Buckminsterfulleren
Hopping-Leitfähigkeit
Elektrische Leitfähigkeit
Leitfähigkeit
Dunkelleitfähigkeit
Elektronenleitung
Beweglichkeit
Ladungsträgerbeweglichkeit
Elektronenbeweglichkeit
Ionisationsenergie
Elektronenaffinität
Physik
Festkörperphysik
Festkörper-Physik
Halbleiterphysik
Halbleiter-Physik
Organische Halbleiter
Organische Elektronik
Organische Solarzellen
Organische Photovoltaik
Organische Moleküle
Kleine Moleküle
Molekulare Elektronik
Molekulare Halbleiter
Amorphe Halbleiter
Ladungstransport
Ladungsbeweglichkeit
Ladungs-Beweglichkeit
Ladungsmobilität
Ladungs-Mobilität
Ladungsträgerbewegleichkeit
Ladungsträger-Beweglichkeit
Ladungsträgermobilität
Ladungsträger-Mobilität
Elektronenbeweglichkeit
Elektronen-Beweglichkeit
Elektronenmobilität
Elektronen-Mobilität
Löcherbeweglichkeit
Löcher-Beweglichkeit
Löchermobilität
Löcher-Mobilität
Raumladungsbegrenzte Ströme
Raumladungsbegrenzter Strom
Unipolare Bauteile
Unipolares Bauteil
Löchertransport
Löcher-Transport
Löcherleitfähigkeit
Löcher-Leitfähigkeit
Löcherleitung
Elektronentransport
Elektronen-Transport
Elektronenleitfähigkeit
Elektronen-Leitfähigkeit
Elektronenleitung
Hüpftransport
Hüpf-Transport
Poole-Frenkel-Transport
Feldaktivierung
Feld-Aktivierung
Dichteaktivierung
Dichte-Aktivierung
Ladungsdichteaktivierung
Ladungsdichte-Aktivierung
Ladungsträgerdichteaktivierung
Ladungsträgerdichte-Aktivierung
Ladungsträger-Dichteaktivierung
Ladungsträger-Dichte-Aktivierung
Drifttransport
Drift-Transport
Temperaturaktivierung
Temperatur-Aktivierung
Ionisationsenergie
Ionisations-Energie
Ionisationspotential
Ionisationspotenzial
Ionisations-Potential
Ionisations-Potenzial
Elektronenaffinität
Elektronen-Affinität
Leitungsband
Leitungs-Band
Valenzband
Valenz-Band
Höchstes besetztes Molekülorbital
Höchstes besetztes Molekül-Orbital
Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital
Niedrigstes unbesetztes Molekül-Orbital
Transportniveau
Transport-Niveau
Energieniveaus
Energie-Niveaus
Donator
Akzeptor
Donator-Akzeptor
Effektive Lücke
Effektive Bandlücke
Bandlücke
Energielücke
Effektive Energielücke
Mischschichtheteroübergang
Mischschicht-Heteroübergang
Flacher Heteroübergang
Planarer Heteroübergang
Dotierung
Dotierte Transportschichten
Dotierte Transport-Schichten
Injektionsbarriere
Injektions-Barriere
Extraktionsbarriere
Extraktions-Barriere
Diffusion
Ladungsdiffusion
Ladungs-Diffusion
Ladungsträgerdiffusion
Ladungsträger-Diffusion
Bandverbiegung
Band-Verbiegung
Dünnschichtelektronik
Dünnschicht-Elektronik
ddc:530
Physics
Solid State Physics
Semiconductor Physics
Organic Semiconductors
Organic Electronics
Organic Solar Cells
Organic Photovoltaics
Organic Molecules
Small Molecules
Molecular Electronics
Molecular Semiconductors
Amorphous Semiconductors
Charge Transport
Charge Mobility
Charge Carrier Mobility
Electron Mobility
Hole Mobility
Space-Charge Limited Current
SCLC
Single Carrier Devices
Hole-Only Devices
Hole Conduction
Hole Conductivity
Hole Transport
Electron-Only Devices
Electron Conduction
Electron Conductivity
Electron Transport
Hopping Transport
Poole-Frenkel Transport
Field Activation
Density Activation
Charge Density Activation
Charge Carrier Density Activation
Drift Transport
Temperature Activation
Ionization Energy
Ionization Potential
Electron Affinity
Conduction Band
Valence Band
Highest Occupied Molecular Orbital
HOMO
Lowest Unoccupied Molecular Orbital
LUMO
Transport Level
Energy Levels
Donor
Acceptor
Donor-Acceptor
Effective Gap
Effective Band Gap
Band Gap
Energy Gap
Effective Energy Gap
Bulk Heterojunction
BHJ
Flat Heterojunction
FHJ
Planar Heterojunction
PHJ
Doping
Doped Transport Layers
Injection Barrier
Extraction Barrier
Diffusion
Charge Diffusion
Charge Carrier Diffusion
Band Bending
Thin Film Electronics
Popis: Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design. In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor. For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary. The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES). These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices.:1. Introduction 2. Organic semiconductors and devices 2.1. Organic semiconductors 2.1.1. Conjugated π system 2.1.2. Small molecules and polymers 2.1.3. Disorder in amorphous materials 2.1.4. Polarons 2.1.5. Polaron hopping 2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level 2.1.7. Quasi-Fermi levels 2.1.8. Trap states 2.1.9. Doping 2.1.10. Excitons 2.2. Interfaces and blend layers 2.2.1. Interface dipoles 2.2.2. Energy level bending 2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction 2.2.4. Excitons at interfaces 2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors 2.3.1. Drift transport 2.3.2. Charge carrier mobility 2.3.3. Thermally activated transport 2.3.4. Diffusion transport 2.3.5. Drift-diffusion transport 2.3.6. Space-charge limited current 2.3.7. Recombination 2.4. Mobility measurement 2.4.1. SCLC and TCLC 2.4.2. Time of flight 2.4.3. Organic field effect transistors 2.4.4. CELIV 2.5. Organic solar cells 2.5.1. Exciton diffusion towards the interface 2.5.2. Dissociation of CT states 2.5.3. CT recombination 2.5.4. Flat and bulk heterojunction 2.5.5. Transport layers 2.5.6. Thin film optics 2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit 2.5.8. Solar cell efficiency 2.5.9. Limits of efficiency 2.5.10. Correct solar cell characterization 2.5.11. The \"O-Factor\" 3. Materials and experimental methods 3.1. Materials 3.2. Device fabrication and layout 3.2.1. Layer deposition 3.2.2. Encapsulation 3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer 3.2.4. Device layout 3.3. Characterization 3.3.1. Electrical characterization 3.3.2. Sample illumination 3.3.3. Temperature dependent characterization 3.3.4. UPS 4. Simulations 5.1. Design of single carrier devices 5.1.1. General design requirements 5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current 5.1.3. Ohmic regime 5.1.4. Design of injection and extraction layers 5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping 5.2.1. Potential mapping by thickness variation 5.2.2. Further evaluation of the transport profile 5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices 5.2.4. Majority carrier approximation 5.3. Proof of principle: POEM on simulated data 5.3.1. Constant mobility 5.3.2. Field dependent mobility 5.3.3. Field and charge density activated mobility 5.3.4. Conclusion 5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors 5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60 5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation 5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation 5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70 5.4.5. Hole transport in neat ZnPc 5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60 5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60 5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60 5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI 5.5. Summary and discussion of the results 5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends 5.5.2. DCV-5T-Me33:C60 5.5.3. Conclusion 6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature 6.1. ZnPc:C60 solar cells 6.1.1. Temperature variation 6.1.2. Illumination intensity variation 6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells 6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T) 6.2.2. Interpretation of Voc(I, T) 6.3. BHJ stoichiometry variation 6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer 6.3.2. V0 upon stoichiometry variation 6.3.3. Low donor content stoichiometry 6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation 6.4. Transport material variation 6.4.1. HTM variation 6.4.2. ETM variation 6.5. Donor:acceptor material variation 6.5.1. Donor variation 6.5.2. Acceptor variation 6.6. Conclusion 7. Summary and outlook 7.1. Summary 7.2. Outlook A. Appendix A.1. Energy pay-back of this thesis A.2. Tables and registers Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters. Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist. Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt. Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.:1. Introduction 2. Organic semiconductors and devices 2.1. Organic semiconductors 2.1.1. Conjugated π system 2.1.2. Small molecules and polymers 2.1.3. Disorder in amorphous materials 2.1.4. Polarons 2.1.5. Polaron hopping 2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level 2.1.7. Quasi-Fermi levels 2.1.8. Trap states 2.1.9. Doping 2.1.10. Excitons 2.2. Interfaces and blend layers 2.2.1. Interface dipoles 2.2.2. Energy level bending 2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction 2.2.4. Excitons at interfaces 2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors 2.3.1. Drift transport 2.3.2. Charge carrier mobility 2.3.3. Thermally activated transport 2.3.4. Diffusion transport 2.3.5. Drift-diffusion transport 2.3.6. Space-charge limited current 2.3.7. Recombination 2.4. Mobility measurement 2.4.1. SCLC and TCLC 2.4.2. Time of flight 2.4.3. Organic field effect transistors 2.4.4. CELIV 2.5. Organic solar cells 2.5.1. Exciton diffusion towards the interface 2.5.2. Dissociation of CT states 2.5.3. CT recombination 2.5.4. Flat and bulk heterojunction 2.5.5. Transport layers 2.5.6. Thin film optics 2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit 2.5.8. Solar cell efficiency 2.5.9. Limits of efficiency 2.5.10. Correct solar cell characterization 2.5.11. The \"O-Factor\" 3. Materials and experimental methods 3.1. Materials 3.2. Device fabrication and layout 3.2.1. Layer deposition 3.2.2. Encapsulation 3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer 3.2.4. Device layout 3.3. Characterization 3.3.1. Electrical characterization 3.3.2. Sample illumination 3.3.3. Temperature dependent characterization 3.3.4. UPS 4. Simulations 5.1. Design of single carrier devices 5.1.1. General design requirements 5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current 5.1.3. Ohmic regime 5.1.4. Design of injection and extraction layers 5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping 5.2.1. Potential mapping by thickness variation 5.2.2. Further evaluation of the transport profile 5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices 5.2.4. Majority carrier approximation 5.3. Proof of principle: POEM on simulated data 5.3.1. Constant mobility 5.3.2. Field dependent mobility 5.3.3. Field and charge density activated mobility 5.3.4. Conclusion 5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors 5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60 5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation 5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation 5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70 5.4.5. Hole transport in neat ZnPc 5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60 5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60 5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60 5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI 5.5. Summary and discussion of the results 5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends 5.5.2. DCV-5T-Me33:C60 5.5.3. Conclusion 6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature 6.1. ZnPc:C60 solar cells 6.1.1. Temperature variation 6.1.2. Illumination intensity variation 6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells 6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T) 6.2.2. Interpretation of Voc(I, T) 6.3. BHJ stoichiometry variation 6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer 6.3.2. V0 upon stoichiometry variation 6.3.3. Low donor content stoichiometry 6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation 6.4. Transport material variation 6.4.1. HTM variation 6.4.2. ETM variation 6.5. Donor:acceptor material variation 6.5.1. Donor variation 6.5.2. Acceptor variation 6.6. Conclusion 7. Summary and outlook 7.1. Summary 7.2. Outlook A. Appendix A.1. Energy pay-back of this thesis A.2. Tables and registers
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