Photolumineszenz zeigt die Rekombination der Ladungsträger in organischen und hybriden Halbleitern

In this work, we elucidated recombination kinetics in organic and hybrid semiconductors by steady-state and time-resolved PL spectroscopy. Using these simple and very flexible experimental techniques, we probed the infrared emission from recombining free charge carriers in metal–halide perovskites, as well as the deep blue luminescence from intramolecular charge-transfer states in novel OLED emitters. We showed that similar state diagrams and kinetic models accurately describe the dynamics of excited species in these very different material systems. In Chapters 4 and 5, we focused on lead iodide perovskites (MAPI and FAPI), whose comparatively developed deposition techniques suited the systematic material research. In MAPI, we harnessed the anomalous dependence of transient PL on the laser repetition rate in order to investigate the role of interfaces with the commonly used charge-selective layers: PC60BM, spiro-MeOTAD, and P3HT. The film was deposited on a large precut substrate and separated into several parts, which were then covered with the charge-selective layers. Thereby, the same bulk perovskite structure was maintained for all samples. Consequently, we were able to isolate interface-affected and bulk carrier recombination. The first one dominated the fast component of PL decay up to 300 ns, whereas the last was assigned to the remaining slow component. The laser repetition rate significantly prolonged PL decay in MAPI with additional interfaces while shortening the charge carrier lifetime in the pristine film. We qualitatively explained this effect by a kinetic model that included radiative electron–hole recombination and nonradiative trap-assisted recombination. All in all, we showed that the apparent PL lifetime in MAPI is to large extend defined by the laser repetition rate and by the adjacent interfaces. Further, we studied photon recycling in MAPI and FAPI. We monitored how the microscopic PL transforms while propagating through the thin perovskite film. The emission was recorded within 5orders of magnitude in intensity up to 70μm away from the excitation spot. The Beer–Lambert law previously failed to describe the complex interplay of the intrinsic PL spectrum and the additional red-shifted peak. Therefore, we developed a general numerical model that accounts for self-absorption and diffusion of the secondary charge carriers. A simulation based on this model showed excellent agreement with the experimental spatially resolved PL maps. The proposed model can be applied to any perovskite film, because it uses easily measurable intrinsic PL spectrum and macroscopic absorption coefficient as seeding parameters. In Chapter 6, we conducted an extensive photophysical study of a novel compact deep blue OLED emitter, SBABz4, containing spiro-biacridine and benzonitrile units. We also considered its single-donor monomer counterpart, DMABz4, in order to highlight the structure–property relationships. Both compounds exhibited thermally activated delayed fluorescence (TADF), which was independently proven by oxygen quenching and temperature-dependent transient PL measurements. The spiro-linkage in the double-donor core of SBABz4 rendered its luminescence pure blue compared to the blue-green emission from the single-donor DMABz4. Thus, the core-donor provided desirable color tuning in the deep blue region, as opposed to the common TADF molecular design with core-acceptor. Using PL lifetimes and efficiencies, we predicted EQEmax = 7.1% for SBABz4-based OLED, whereas a real test device showed EQEmax = 6.8%. Transient PL was recorded from the solutions and solid films in the unprecedentedly broad dynamic range covering up to 6orders of magnitude in time and 8orders of magnitude in intensity. The stretched exponent was shown to fit the transient PL in the films very well, whereas PL decay in dilute solution was found purely exponential. When the emitter was embedded in the host matrix that prevented aggregation, its TADF properties were superior in comparison with the pure SBABz4 film. Finally, using temperature-dependent transient PL data, we calculated the TADF activation energy of 70 meV. To sum up, this Thesis contributes to the two fascinating topics of the last decade’s material research: perovskite absorbers for photovoltaics and TADF emitters for OLEDs. We were lucky to work with the emerging systems and tailor for them new models out of the well-known physical concepts. This was both exciting and challenging. In the end, science of novel materials is always a mess. We hope that we brought there a bit of clarity and light.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Rekombinationsmechanismen in organischen und hybriden Halbleitern mittels statischer und zeitaufgelöster Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Diese einfachen und flexiblen experimentellen Methoden erlaubten es, sowohl die infrarote Emission rekombinierender freier Ladungsträger in Perowskiten als auch die blaue Lumineszenz intramolekularer Ladungstransferzustände in neuartigen OLED-Emittern zu erforschen. Es wurde gezeigt, dass das Verhalten angeregter Ladungsträger in sehr unterschiedlichen Materialsystemen durch vergleichbare Zustandsdiagramme und kinetische Modelle beschrieben werden kann. Kapitel 4 und 5 legen den Fokus auf Bleiiodid-Perowskite (MAPI und FAPI), deren vergleichsweise etablierte Herstellungsmethode systematische Untersuchungen erlaubt. In MAPI wurde die anomale Abhängigkeit transienter PL von der Repetitionsrate des Lasers verwendet, um die Bedeutung der Grenzflächen zwischen Perowskitschicht und den gängigsten ladungsselektiven Schichten PC60BM, spiro-MeOTAD und P3HT zu untersuchen. Dafür wurde die Perowskitschicht auf ein Substrat aufgebracht, dieses in mehrere gleiche Stücke geteilt und anschließend mit einer jeweils unterschiedlichen ladungsselektiven Schicht bedeckt. Dies sicherte die Vergleichbarkeit der aktiven Schicht der verschiedenen Proben. Durch diesen Ansatz konnten der Einfluss des aktiven Materials als auch der seiner Grenzflächen auf die Ladungsträgerrekombination getrennt beobachtet werden. Ersterer dominierte den schnellen Anteil des PL-Abfalls, letzterer den langsamen Anteil. Die Repetitionsrate des Lasers verlangsamte den PL-Abfall in MAPI-Filmen mit zusätzlichen Grenzflächen signifikant, während sie die Lebensdauer der Ladungsträger in reinen MAPI- Filmen verkürzte. Dieser Effekt konnte durch ein qualitatives Modell erklärt werden, welches strahlende Elektron–Loch-Rekombination sowie nichtstrahlende Rekombination über Ladungsträgerfallen miteinbezieht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die PL- Lebensdauer in MAPI stark von der Laserrepetitionsrate sowie von Grenzflächeneffekten abhängig ist. Des Weiteren wurde der Photon-Recycling-Effekt in MAPI und FAPI untersucht. Dafür wurde verfolgt, wie sich die lokale PL mit ihrer Ausbreitung durch den dünnen Perowskitfilm verändert. Die Emission konnte bis zu 70 μm entfernt von der Anregung gemessen werden, bei einer Abnahme der Intensität um fünf Größenordnungen. Mit reiner Anwendung des Lambert–Beer’sches Gesetzes konnte das auftretende komplexe Zusammenspiel des ursprünglichen Spektrums mit einer zusätzlichen rotverschobenen Emission nicht erklärt werden. Deshalb wurde ein allgemeines numerisches Modell entwickelt, das sowohl Selbstabsorption als auch die Diffusion sekundärer Ladungsträger berücksichtigt. Entsprechende Simulationen zeigten hervorragende Übereinstimmung mit räumlich aufgelösten experimentellen PL-Messungen. Das Modell kann auf jeden Perwoskitfilm angewendet werden, da die nötigen Parameter auf dem einfach messbaren intrinsischen PL- Spektrum und dem makroskopischen Absorptionskoeffizienten des jeweiligen Films beruhen. In Kapitel6 wird die umfangreiche photophysikalische Untersuchung eines neuartigen kompakten blauen OLED-Emitters, SBABz4, welcher Spiro-Biacridine und Benzonitril-Einheiten enthält, beschrieben. Auch sein Gegenstück DMABz4, als einfacher Donator, wurde betrachtet, um Zusammenhänge zwischen Struktur und Materialeigenschaften hervorzuheben. Beide Verbindungen zeigten thermisch-aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF), welche unabhängig voneinander sowohl durch Sauerstoff- Fluoreszenzlöschung als auch durch temperaturabhängige transiente PL-Messungen nachgewiesen wurde. Die Spiro-Bindung im Inneren des zweifachen Donators SBABz4 führten zu einer, im Vergleich zur blaugrünen Emission des einfachen Donators DMABz4, reinen blauen Lumineszenz. Im Gegensatz zum Aufbau üblicher TADF-Molekülen mit zentralem Akzeptor, erlaubt in diesem Fall der zentrale Donator also die gewünschte Farbeinstellung im tiefblauen Bereich. Mit Hilfe von PL-Lebensdauern und -Effizienzen wurde eine EQEmax von 7.1% für SBABz4-basierte OLEDs abgeschätzt, während ein reales Testexemplar eine EQEmax von 6.8% aufzeigte. Transiente PL wurde für Lösungen sowie für feste Filme in einem beispiellos großen, dynamischen Bereich von sechs Größenordnungen in Zeit und acht Größenordnungen in Intensität aufgenommen. Die transiente PL der Filme lässt sich gut durch eine gestreckte Exponentialfunktion anpassen, während der PL-Abfall der Lösung rein exponentiell verläuft. Die Einbettung des Emitters in der Gast-Matrix, die Aggregieren verhinderte, führten zu gegenüber dem reinen SBABz4-Film überlegenen TADF- Eigenschaften. Zuletzt wurde die TADF Aktivierungsenergie von 70 meV unter alleiniger Verwendung der temperaturabhängigen transienten PL berechnet. Zusammengefasst steuert diese Doktorarbeit einen Beitrag zu zwei der faszinierendsten Themen der Materialforschung des letzten Jahrzehnts bei: Perowskitabsorbern für die Photovoltaik und TADF-Emittern für OLEDs. Diese Arbeit erlaubte es mit aufkommenden Systemen zu arbeiten und neue Modelle aus bekannten physikalischen Konzepten für sie zu entwickeln. Dies war sowohl spannend als auch anspruchsvoll. Letztlich ist Forschung an neuartigen Materialien immer ein großes Durcheinander. Hoffentlich konnte durch diese Arbeit jedoch ein wenig mehr Klarheit geschaffen werden