Charge transport in bulk heterojunctions with perylene diimide based acceptors

Organische Solarzellen haben sich zu einer Alternative zu Solarzellen der ersten Generation entwickelt. Sie sind besonders interessant für zukünftige Anwendungen, weil sie mit einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren großflächig gedruckt werden können. In sogenannten bulk-heterojunction Solarzellen, die aus einer Mischung eines Donors und eines Akzeptor bestehen, werden üblicherweise Fullerene als Akzeptor-Material verwendet. Dabei haben Perylenediimid-Derivate besonderes Interesse geweckt, da deren optische, strukturelle und elektronische Eigenschaften gezielt durch die funktionellen Gruppen eingestellt werden können. Dadurch lassen sich Materialien mit definierten Leistungs-vermögen, beispielsweise einer hohen Absorption im sichtbaren Spektrum erzielen. Die Kennwerte der Solarzellen waren allerdings stets schlechter als die Fulleren-basierten Referenzsolarzellen. In Kapitel 2 wird zunächt die Abhängigkeit zwischen Lichtintensität und Leerlaufspannung für Solarzellen mit Fullerenen als Akzeptor untersucht.Wenn eine der beiden Kontakte eine signifikante Barriere aufweist, dann ergibt sich eine Steigung kT/2q. Ein analytischer Ausdruck für diesen Fall wurde erarbeitet, der zeigt, dass die neue Abhängigkeit dadurch hervorgerufen wird, dass nahe am nicht-ohmschen Kontakt keine Bandverbiegung auftritt. Falls beide Kontakte nicht-ohmsch sind, dann verschwindet die Steigung ganz. Der Ladungstransport in Blends bestehend aus regioregulärem Poly(3-hexylthiophene) (rr-P3HT) als Donor and kommerziell erhältlichem Perylene-3,4,9,10-perylentetra-carbonsäurediimid (PDI-1) als Akzeptor wurde in ladungsträgerspezifischen Dioden in Kapitel 3 untersucht. Sowohl Elektronen als auch Löcher gehorchen physikalischen Space-charge-limited Transport-Modellen ohne Einfluss von Fallenzuständen. Die geringere Beweglichkeit von Elektronen und Löchern im Vergleich zu P3HT:Fulleren-basierten Dioden ist auf eine höhere energetische Unordnung zurückzuführen. Da thermische Nachbehandlung der P3HT-PDI-1 Diode zu Elektronentransport führt, der durch Injektion an der Elektrode begrenzt wird, kann der Einfluss der Wärmebehandlung auf den Elektronentransport nicht direkt aus den Strom-Spannungskennlinien abgeleitet werden. Nachdem der selektiven Analyse von Elektronen- und Lochtransport wurde im nächsten Schritt die Solarzelle selbst untersucht (Kapitel 4). In Kapitel 5 werden zum Vergleich ortho- substituierte Perylendiimide-Derivative elektronisch charakterisiert. Diese weisen eine leicht geringe Elektronenbeweglickeit auf Grund einer leicht erhöhten energetischen Unordnung auf. Die Solarzellen zeigen höhere Effizienzen bedingt durch den höheren Photostrom. Auch für dieses Blend wurde der Einfluss der Wärmebehandlung untersucht. Schließlich wurde in Kaptiel 6 der Elektronentransport in dem Polymer Activink N2200, für verschiedene Molekulargewichte untersucht (Kapitel 6). Der Elektronentransport zeigt keine systematische Abhängigkeit vom Molekulargewicht. Verglichen mit dem kommerziellen N2200 zeigen alle Gemische geringere Mobilität und höhere energetisch Unordnung. Fallenzustände für die Elektronen resultierend aus der organischen Synthese könnten hierfür ursächlich sein