Femtosekunden-Laser-Verbundsystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Femtosekunden-Laserverbundsystem wurde beschafft, um dynamische Prozesse in dünnen organischen Schichten optisch und optoelektronisch an derselben Probe zu untersuchen. Durch die lückenlose Durchstimmbarkeit einer fs-Laserquelle und eine deutlich verbesserte Zeitauflösung der Messelektronik konnten damit Prozesse untersucht werden, die den bisher in der Arbeitsgruppe etablierten Apparaturen nicht zugänglich waren. Der neue Aufbau ermöglicht insbesondere die Untersuchung der Generierung und Rekombination von Ladungen in dünnen organischen und hybriden Schichten auf der Zeitskala von ca. 2 Nanosekunden bis zu mehreren hundert Mikrosekunden mittels time-delayed collection field (TDCF)-Experimenten. Zudem kann die Anregungsdynamik auf der Femtosekunden- bis Mikrosekundenskala mittels transienter Absorptionsspektroskopie (TAS) untersucht werden. Der Aufbau wurde zur Charakterisierung einer Vielzahl von Systemen und Fragestellung angewandt: A) Mobilität, Generierung und Rekombination in hybriden organisch-anorganischen Halbleiterschichten. Diese Messungen konnten erstmals dank der hohen zeitlichen Auflösung des Aufbaus durchgeführt werden. B) Rekombinationsdynamik freier Ladungsträger in Perovskit-basierten Solarzellen. C) Feldabhängigkeit und dispersive Rekombinationsdynamik in stark ungeordneten organischen Materialien. D) Einfluss der Verdünnung der Akzeptor- oder Donatorphase in der Mischung (homöopathische Solarzellen) auf die Photogenerierung und Rekombination freier Ladungsträger. E) Einfluss der molekularen Orientierung an der Grenzfläche auf die strahlende Rekombination und die Effizienz der Ladungserzeugung bei Anregungswellenlängen, die nur mit dem beschafften Lasersystem erzeugt werden konnten. F) Temperaturabhängigkeit der Photogenerierung und Rekombination in Polymer-Fulleren-Solarzellen mit niedriger Bandlücke als Funktion der Anregungsenergie. G) Einfluss der Morphologie in Donator-Akzeptor-Bulk-Heterojunction-Solarzellen auf die Erzeugung und Rekombination freier Ladungsträger An dieser Stelle werden die wichtigsten Ergebnisse näher erläutert: C) Die nichtgeminale Rekombination in einer ungeordneten Polymer-Fulleren-Mischung wurde mit dem verbesserten Aufbau detailliert untersucht. Die Messungen zeigten dispersive Effekte auf verschiedenen Zeitskalen. Die Ergebnisse legen nahe, dass initial generierte, hochmobile Ladungen eine schnelle nicht-geminale Rekombination an den Elektroden verursachen, gefolgt von dispersiver Rekombination, welche durch die Zustandsdichteverteilung bestimmt wird. Vergleiche mit Messungen unter konstanter Beleuchtung zeigen, dass diese schnellen Rekombinationsprozesse zu einer scheinbaren Feldabhängigkeit der Ladungsträgererzeugung führen, während sie einen geringen Effekt auf die Rekombination im stationären Zustand in der Nähe der Leerlaufspannung haben. E) Aufgrund der lückenlosen Durchstimmbarkeit konnten wir die Auswirkung der molekularen Orientierung an der Grenzfläche auf die Ladungserzeugung und Rekombination aufklären. Doppellagige Solarzellen, deren Donatormoleküle flach auf der Akzeptorgrenzfläche liegen (face-on), haben eine höhere CT-Energie und kleinere nichtstrahlende Verluste, was zu größeren Leerlaufspannungen und höheren strahlenden Verlusten führt. Zweilagige Solarzellen mit Donatormolekülen, deren Kante an die Akzeptorgrenzfläche angrenzt (edge-on), sind bei der Ladungserzeugung effizienter, was auf eine kleinere elektronische Kopplung zwischen den CT-Zuständen und dem Grundzustand und eine geringere Aktivierungsenergie für die Ladungserzeugung zurückzuführen ist. F) Durch den Einsatz des Femtosekundenlasers und einer schnelleren Ansteuer- und Messelektronik konnte ein TDCF-Aufbau mit einer Zeitauflösung von ca. 2 Nanosekunden realisiert werden. Damit ließen sich erstmals Verzögerungen zwischen gepulster Anregung und Extraktion der Ladungsträger realisieren, die der Lebensdauer von CT-Exzitonen entsprechen. Mit den ebenfalls beschafften NOPAs und Kryostat konnten erstmals Messungen der Erzeugung freier Ladungen als Funktion von elektrischem Feld, Temperatur und Anregungswellenlänge realisiert werden. Zudem ist das Laserverbundsystem lückenlos durchstimmbar, was eine umfassende Untersuchung der Ladungsträgergenerierung bei direkter Anregung von CT-Zuständen auch in Materialien mit niedriger Bandlücke erlaubte. Zu diesem Zweck wurden die Aktivierungsenergien für die Ladungsträgererzeugung über hochenergetische Exzitonen, aber auch über CT-Zustände mit niedriger Energie bestimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Bildung freier Ladungen über thermalisierte Ladungstransferzustände erfolgt. Überraschenderweise lagen die Aktivierungsenergien in der Größenordnung der thermischen Energie bei Raumtemperatur. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass organische Solarzellen nicht wegen der Aufspaltung heißer Exzitonen gut funktionieren, sondern weil die thermalisierten CT-Zustände schwach gebunden sind. Darüber hinaus konnte erstmals die Feldabhängigkeit der Generierung freier Ladungsträger mit TAS, in Übereinstimmung mit TDCF für ein Beispielsystem nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Dispersive Non-Geminate Recombination in an Amorphous Polymer:Fullerene Blend”, Scientific Reports 6, 26832 (2016)
Kurpiers, J., Neher, D.
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„Charge Carrier Recombination Dynamics in Perovskite and Polymer Solar Cells“, Applied Physics Letters 108, 113505 (2016)
Paulke, A., Stranks, S. D., Kniepert, J., Kurpiers, J., Wolff, C. M., Schön, N., Snaith, H. J., Brenner, T. J. K., Neher, D.
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„Free carrier generation and recombination in PbS quantum dot solar cells“, Applied Physics Letters 108, 103102 (2016)
Kurpiers, J., Balazs, D. M., Paulke, A., Albrecht, S., Lange, I., Protesescu, L., Kovalenko, M. V., Loi, M. A., Neher, D.
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“Impact of interfacial molecular orientation on radiative recombination and charge generation efficiency”, Nature Communications 8, 79 (2017)
Ran, N. A., Roland, S., Love, J. A., Savikhin, V., Takacs, C. J., Fu, Y. T., Li, H., Coropceanu, V., Liu, X., Brédas, J. L., Bazan, G. C., Toney, M. F., Neher, D., Nguyen, T. Q.
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„Intercalated vs Nonintercalated Morphologies in Donor − Acceptor Bulk Heterojunction Solar Cells: PBTTT:Fullerene Charge Generation and Recombination Revisited”, The Journal of Physical Chemistry Letters 8, 4061 (2017)
Collado-Fregoso, E., Hood, S. N., Shoaee, S., Schroeder, B. C., Mcculloch, I., Kassal, I., Neher, D., Durrant, J. R.
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„Probing the pathways of free charge generation in organic bulk heterojunction solar cells”, Nature Communications 9, 2038 (2018)
Kurpiers, J., Ferron, T., Roland, S., Jakoby, M., Thiede, T., Jaiser, F., Albrecht, S., Janietz, S., Collins, B. A., Howard, I. A., Neher, D.
