Einfluß von Ordnung und Unordnung auf die Photogeneration von Ladungsträgern

Das Projekt Einfluß von Ordnung und Unordnung auf die Photogeneration von Ladungsträgern untersucht den Einfluß der chemischen Seitenkettenstruktur von potentiell semi-kristallinen kon- jugierten PPE-PPV Copolymeren mit der hieraus resultierenden Konformation bzw. Ordnung des Polymers in Donator-Akzeptor Volumengemischen mit Fullerene-Derivaten (z.B. PCBM). Die Antragsteller haben bereits über 10 Jahre Erfahrung mit der Verarbeitung verschiedener aus die- ser Materialfamilie stammenden Copolymere. Die Leistungsfähigkeit bestimmter Vertreter dieser Materialklasse ist mindestens vergleichbar mit der von Poly(3-hexylthiophen) (P3HT), jedoch haben Wechselwirkungen mit Fulleren-Derivaten in Festkörpergemischen teilweise ordnungsver- stärkenden Einfluß, während die Ordnung von P3HT in ungetemperten Gemischen eher gestört wird. Der Vorteil dieses Materialsystems liegt ferner darin begründet, daß die Polymer-Konformation praktisch stufenlos zwischen sehr geordneten, semi-kristallinen Versionen des AnE-PV Copoly- mers bis hin zu völlig ungeordneten, amorphen Vertretern alleine über die Wahl bzw. Substituti- on der löslichkeitsvermittelnden Seitenketten variiert werden kann und keine Temperun- genhermische Ausheilungen für gute optoelektronische Eigenschaften notwendig sind. Quan- tenchemische Berechnungen sollen die Synthesearbeiten durch Vorhersagen über die sekundäre Struktur/Konformation des Copolymers sowie über die Stärke und Energie elektronischer Über- gänge im Polymer als auch im Polymer-Fulleren Komplex ergänzen. Basierend auf diesem systematischen Materialansatz soll ferner quantitativ untersucht werden, wie die Photogeneration von Ladungsträgern von dem Maß der Ordnung im Polymer abhängig ist. Hierbei ist zu beachten, daß das Polymer im Film im allgemeinen in zwei Phasen mit unter- schiedlicher Konformation vorliegt: 1.) in Polymer-reichen Kristalliten und 2.) in einer eher amorphen Polymer-Fulleren Mischphase an der Phasengrenze zur Fulleren-reichen Phase. Hierzu soll insbesondere ein verbessertes Verständnis zur Struktur der Grenzschicht zwischen Polymer und Fulleren entwickelt werden. Darüber hinaus soll untersucht werden, welchen Einfluß die Polymer-Konformation in einem Volumengemisch mit Fulleren-Derivaten auf den Ladungstrans- port sowie die Rekombination von Ladungsträgern hat. Es ist Ziel des Projektes diese Informatio- nen quantitativ zu bestimmen; hierzu kommen insbesondere die Ultrakurzzeitspektroskopie (La- dungsgeneration sowie -rekombination) sowie Untersuchungen in Testbauelementen wie Solar- zellen/Photodetektoren (Ladungsgeneration sowie -rekombination) und Dioden mit raumladungs- begrenzten Strömen (space charge limited current SCLC) zur Untersuchung des Ladungstrans- portes (Ladungsträgermobilitäten) zum Einsatz.

Das PhotogenOrder-Projekt basiert auf der gemeinschaftlichen Forschung dreier deutscher Gruppen, Harald Hoppe (Technische Universität Ilmenau/ Friedrich Schiller Universität Jena), Wichard J. D. Beenken (Technische Universität Ilmenau) sowie Frédéric Laquai (Johannes Gutenberg Universität Mainz), und eines österreichischen Teams, Daniel A. M. Egbe (Johannes Kepler Universität Linz). Das Ziel des Projektes ist das Verständnis von Ordnung/Unordnung in der aktiven Schicht und seinen Einfluss auf die Performanz von organischen Solarzellen zu erweitern. Die aktive Schicht ist ein Schlüsselkomponente in organischen photovoltaischen Elementen, die sich üblicherweise aus einem lichtabsorbierenden organischen Halbleiter (z.B.: einem konjugierten Polymer) und einen Elektronenakzeptormaterial (z.B.: Fullerenderivat) zusammensetzt. Die Interaktion innerhalb dieser Materialien sowie an ihren Grenzflächen kann die Performanzmerkmale (z.B.: Ladungserzeugung und -transport) drastisch beeinflussen. Gemeinhin erhöht die Ausstattung des konjugierten Gerüstes mit linearen Seitenketten die Ordnung und Aggregationstendenzen in Donorpolymeren, während verzweigte Seitenketten Unordnung (Amorphizität) und Löslichkeit befördern. Die richtige Balance ist wesentlich. Die Zielsetzung für uns an der JKU Linz (Österreich) lag in der Darstellung von Lichtabsorbermaterialien auf der Basis eines etablierten konjugierten Aufbaus, und ausgestattet mit linearen (octyloxy) und verzweigten Seitenketten (2-ethylhexyloxy) in verschieden AnteilsverhältnissenundAnordnungen.Eineunsere zentralen Problemstellungen war die Synthese von Bausteinen mit spezifischen, gemischten (linear/verzweigt) Seitenkettenanordnungen. Die ersten Syntheseversuche erbrachten Mischungen an Regioisomeren. Aber durch Optimierung und Abwandlung eines regiospezifischen Syntheseprotokolls konnte beide Seitenkettenregioisomere selektiv und effektiv aus demselben Ausgangsmaterial hergestellt werden. Die spezifischen Bausteine wie auch die Mischung wurden verwendet, um ein Assemblee von Polymeren zu synthetisieren, die einen identischen konjugierten Grundriss aber individuelle Sequenzen an octyloxy und 2-ethylhexyloxy Seitenketten in ungeordneten bis hochdefinierten Abfolgen aufweisen. Seitenkettenanordnungsspezifische Eigenheiten offenbarten sich sowohl in den NMR-Spektren als auch in den photophysikalischen Untersuchungen. UV-Vis Absorptions- und Photolumineszenzmessungen der Polymere wurden in Lösung als auch in dünnen Filmen durchgeführt, und zeigten klare Hinweise auf Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die Differenzierung in den spektralen Charakteristika (z.B.: Rotverschiebungen) aufgrund der Positionierung von linearen undverzweigten Seitenkettenentlangder Wiederholungseinheiten ist offenkundig. Die Herstellung von Solarzellen sowie die weiteren detaillierten optischen und photovoltaischen Untersuchungen werden von unseren deutschen Partnern durchgeführt.