Photonische Materialien9. Vorlesung

• Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1)

•Lumineszenz-Label (1)•Supramolekulare und biologische Systeme (1)•Halbleiter Nanopartikel (2)•Quanten-Well-Strukturen (1) •Metallische Nanopartikel•Solarzellen (1)•Organische Leuchtdioden und Solarzellen (1)•Flüssige Kristalle (2)•Photonische Kristalle (1)•Optisch aktive Materialien (1).

Dotierung von Si-Halbleitern

Wirkungsweise: Bildung Grenzschicht

Funktionsprinzip

Strom-Spannungskennlinie

Kristallines SiliziumSchneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)

Polykristtalines Silizium

Erstarren von Siliziumschmelze

Staebler-Wronski effect

Amorphes Silizium

a:Sia:SiH

Dangling Bonds:

-Hohe Ladungsbeweglichkeit-Photochemische Reaktion

-40 x höhere Absorption

Theoretischer Wirkungsgrad

Leistungsdaten Solarzelle

• Leerlaufspannung 0,5 V• Strom 2,5 A bei 1000 W/qm• Reihenschaltung

Wirkungsgrade von Solarzellen

Organische Halbleiter: Photodioden und Solarzellen

• Organische Materialien als Halbleiter• Organische Solarzellen

– Grätzelzelle– Photochromie– Löcherleitung– Organische Batterie

• Organische Fotodioden (OLEDS)

Organische Halbleiter

• HOMO – LUMO• Leitfähigkeit• Bandlücke• Chemische Modifikationen• Leitfähige Polymere• Herstellungsprozess• Literatur: Wolfgang Brütting (Hrsg.)

Physics of Organic Semiconductors, ISBN 3-527-40550-X Wiley-VCH (2005)

HOMO - LUMOHighest Occupied Molecular OrbitalLowest Unoccupied Molecular Orbital

Optische Eigenschaften

Elektron - Lochpaare

Leitfähigkeit

Leitfähigkeit

• π –Konjugation• Geringe Ladungsträgerkonzentration• Geringe Leitfähigkeit

Heeger, McDiarmid, Shirakawa : Nobelpreis Chemie 2000

Ladungsträgererzeugung

Konjugierte Systeme

PPV

Chelate

Polypyrrole

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Konjugierte Polymere

Polypyprol (PPyr)

Polythiophen

Polyacetylen

Organische Solarzelle

• Materialien• Ladungstransfer• Rekombinationskinetik• Kontakte• Stabilität

Schichtstruktur einer organischen Solarzelle. Zn-Phthalocyanin dient als Donator,C60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen.

Donor-Akzeptor Systeme

Organische Solarzelle

Konjugierte Polymere

Polypyprol (PPyr)

Polythiophen

Polyacetylen

Komposite

Querschnitt durch eine organischeSolarzelle. Die idealisierte Skizze zeigt denNanokomposit aus den organischen Halbleitern.

Kathode

Transparente Anode

Akzeptor

Donor

Herstellungstechniken

• MBE• Spin Coating• Rakel (Rasor Blade) Technik (für Polymere)

• Lithographische Strukturierung

Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)

Molekulare Epitaxie

Spin- Coating

Amorphe Dünnschichtsysteme

Spin Coater

Lithographie

Buried-contact organic solar cells(SEM-images of crossections):a) Substrate with evaporated electrodes, b) Cavities filled with active polymer,coated with PEDOT and an Au-electrode.

Cell-concepts of organic solar cells:a) Light trapping with diffraction gratings, b) buried nano-electrodes

Verteilung optisches Feld

Tandem Zellen

Grätzel Zelle

Grätzel

2 Fs* + 2 TiO2 → 2 Fs+ + 2 (TiO2 + e-)

Löcherleitung

Photochromie

Photoelektrochromic cell with solid electrolyte in the bleached state and coloured

Organische Batterie

Elektrolumineszenz

• Polymere : Friend 1990 PPV

OLED: Organic Light EmittingDiode

Konjugierte Polymere

• PPV (erstes Material, aus dem OLEDshergestellt wurden).

• Emissionsmaximum PPV: 551 und 520 nm (grün).

• Polypyrrol (PPy) • Polyfluoren (PF) • Polythiophen (PT).

Interface

Energiediagramm

ITO/PPV/MEH-CN-PPV/Al

OLED - Materialien

• Kleine Moleküle• Elektrolumineszenz Polymere• Phosphoreszenz• Patterning

Kleine Moleküle

Al q3

Hole Injection Hole conduction

Electron conduction

Hole Blocking

Konjugierte Polymere

Alq3

Anforderungen

• Leitfähigkeit• Chromophor

Leitfähige Polymere

• Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-tetramethacrylate or PEDOT-TMA

Chromophore Polymere

Kombinierte Dioden

blau

grün

Vorteile von OLEDs

· Hohe Helligkeit bei starkem KontrastKeine Hintergrundbeleuchtung

· Keine Blickwinkelabhängigkeit· Videotauglichkeit· Weiter Temperaturbereich· Vollfarbdisplays und flexible Displays möglich· Niedriges Gewicht· Kompakte, extrem dünne Bauweise· Niedrige Herstellkosten