Femtosecond pump-probe spectroscopy of excited states in conjugated polymers for organic electronics
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojektes wurde die Dynamik angeregter Zustände in konjugierten Polymeren für die organische Elektronik mittels optischer Spektroskopie, insbesondere der ultraschnellen Anregungs-Abfrage-Spektroskopie (engl. pump-probe spectroscopy) untersucht. Im ersten Teilprojekt stand die Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften einer Reihe von blau-emittierenden Stufenleiterpolymeren im Vordergrund. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass einige der Stufenleiterpolymere interessante Kandidaten für eine Anwendung als aktive Materialien in organischen Lichtverstärkern und Lasern sind. Sie verfügen über hohe Photolumineszenz-Quantenausbeuten, exzellente Stabilität und teilweise sehr niedrige Anregungsschwellen für verstärkte, spontane Emission (engl. amplified spontaneous emission, ASE). Obwohl die untersuchten Polymere strukturell sehr ähnlich sind, variiert vor allem die Schwelle, ab der Lichtverstärkung auftritt, um bis zu zwei Größenordnungen. Mit Hilfe der Ultrakurzzeitspektroskopie konnte gezeigt werden, dass bei einigen Materialien ein starker Überlapp der stimulierten Emission und der photoinduzierten Absorption der angeregten Zustände vorliegt. Dieses führt zur Verminderung der Verstärkung des Photonenstroms innerhalb des Materials und bedingt die teilweise hohe Anregungsschwelle, ab der ASE einsetzt. Somit konnten innerhalb dieses Teilprojektes Beziehungen zwischen der chemischen Struktur und den photophysikalischen Eigenschaften der Polymere erarbeitet werden, die zur Identifikation einer vielversprechenden Polymergrundstruktur für ASE geführt haben. Diese soll in Folgeprojekten weiterentwickelt werden, um die ASE Eigenschaften weiter zu verbessern und eine Anwendung des Polymeren in organischen Lasern zu ermöglichen. In einem weiteren Teilprojekt wurde mit Hilfe der ultraschnellen, transienten Absorptionsspektroskopie die Dynamik der angeregten Zustände in einem Elektrondonor-Akzeptor-Copolymer (DA-Copolymer) in Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität untersucht. DA-Copolymere sind hochinteressante Kandidaten für die Anwendung von Polymeren in der organischen Photovoltaik. Im vorliegenden Fall konnte spektroskopisch der Übergang von einem Frenkel-Exziton zu einem Ladungstransferexziton des DA-Copolymeren in polaren Lösungsmitteln verfolgt werden. Mit Hilfe eines Modells der beteiligten Energieniveaus und Transferprozesse war es möglich, die photophysikalischen Vorgänge auch quantitativ zu beschreiben. Die Ergebnisse geben einen Einblick in die Dynamik der Entstehung von Ladungstransferzuständen in Polymeren aus primär photoangeregten Zuständen und Rekombinationsprozesse, wie sie die Effizienz organischer Solarzellen limitieren. In einem weiteren Teilprojekt wurden spektroskopische Untersuchungen an Blends aus einem polymeren Donor und niedermolekularem Akzeptor in dünnen Filmen und organischen Solarzellen durchgeführt. Hierbei sollte geklärt werden, warum trotz einer großen offenen Klemmspannung nur eine geringe Effizienz der Blends in organischen Solarzellen beobachtet werden konnte. In einer Kombination aus zeitaufgelöster Photolumineszenz- und transienter Absorptions-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass zwar ein effizienter Ladungstransfer stattfindet, aber eine signifikante Rekombination der Ladungsträger sowie eine überwiegend strahlungslose Deaktivierung der Ladungstransferzustände die Effizienz der gewählten Materialkombination deutlich einschränkt. Die in allen Teilprojekten gewonnenen Erkenntnisse wurden bereits teilweise in einschlägigen Fachzeitschriften veröffentlicht und fließen in neue Projekte im Rahmen einer kürzlich gegründeten Selbständigen Nachwuchsgruppe am MPI für Polymerforschung ein.
Publications
- "Photophysical properties of a Series of Poly(ladder-type phenylene)s", Advanced Functional Materials 17, 3231-3240 (2007)
F. Laquai, A. K. Mishra, M. R. Ribas, A. Petrozza, J. Jacob, L. Akcelrud, K. Müllen, R. H. Friend, and G. Wegner
- „Amplified spontaneous emission of Poly(ladder-type phenylene)s - The Influence of Photophysical Properties on ASE thresholds", Advanced Functional Materials 18, 3265-3275 (2008)
F. Laquai, A. K. Mishra, G. Wegner, K. Müllen, and R. H. Friend
- Perylene as an Electron Acceptor in Organic Solar Cells: A Study of Charge Generation and Recombination
I. Howard, F. Laquai, P.E. Keivanidis, R.H. Friend, and N.C. Greenham
