20.500.12556/RUNG-4116-d026b030-1ecd-21f1-40d9-88d444161064
PHOTO-EXCITATION ENERGY INFLUENCE ON THE PHOTOCONDUCTIVITY OF ORGANIC SEMICONDUCTORS
VPLIV ENERGIJE FOTONOV NA TOK FOTOVZBUJENIH NOSILCEV NABOJA V ORGANSKIH POLPREVODNIKIH
In this work, we experimentally studied the influence of photoexcitation energy
influence on the charge transport in organic semiconductors. Organic semiconductors
were small molecules like corannulene, perylene and pentacene derivatives, polymers
such as polythiophene and benzothiophene derivatives, and graphene, along with
combinations of these materials in heterojunctions or composites.
The first part of this study is focused on the photoexcitation energy influence on
the transient photoconductivity of non-crystalline curved π-conjugated corannulene
layers. The enhanced photoconductivity, in the energy range where optical absorption
is absent, is deduced from theoretical predictions of corannulene gas-phase excited
state spectra. Theoretical analysis reveals a consistent contribution involving
transitions to Super Atomic Molecular Orbitals (SAMOs), a unique set of diffuse
orbitals typical of curved π-conjugated molecules. More, the photoconductivity of the
curved corannulene was compared to the π-conjugated planar N,N′-1H,1H-
perfluorobutyldicyanoperylene-carboxydi-imide
(PDIF-CN2),
where
the
photoexcitation energy dependence of photocurrent closely follows the optical
absorption spectrum.
We next characterized charge transport in poly(3-hexylthiophene) (P3HT) layers
deposited from solution. Our results indicate that time-of-flight (TOF) mobility
depends on the photoexcitation energy. It is 0.4× 10 −3 cm 2 /Vs at 2.3 eV (530 nm) and
doubles at 4.8 eV (260 nm). TOF mobility was compared to field-effect (FET) mobility
of P3HT field-effect transistors (OFETs). The FET mobility was similar to the 2.3 eV
excitation TOF mobility. In order to improve charge mobility, graphene nanoparticles
were blended within a P3HT solution before the deposition. We found that the mobility
significantly improves upon the addition of graphene nanoparticles of a weight ratio
as low as 0.2 %. FET mobility increases with graphene concentration up to a value of
2.3× 10 −2 cm 2 /Vs at 3.2 %. The results demonstrate that phase segregation starts to
influence charge transport at graphene concentration of 0.8 % and above. Hence, the
graphene cannot form a bridged conduction channel between electrodes, which would
cancel the semiconducting effect of the polymer composite.
An alternative approach to enhance mobility is to optimize the molecular ordering
of organic semiconductors. For that purpose, we studied an innovative nanomesh
device. Free-standing nanomesh devices were used to form nanojunctions of N,N′-
iiDioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide (PTCDI-C8) nanowires and crystalline
bis(triisopropylsilylethinyl)pentacene (TIPS-PEN). We characterized the photocurrent
response time of this novel nanomesh scaffold device. The photoresponse time
depends on the photon energy. It is between 4.5 − 5.6 ns at 500 nm excitation
wavelength and between 6.7 − 7.7 ns at 700 nm excitation wavelength. In addition, we
found that thermal annealing reduces charge carrier trapping in crystalline nanowires.
This confirms that the structural defects are crucial to obtaining high photon-to-charge
conversion efficiency and subsequent transport from pn junction in heterostructured
materials.
Structural defects also influence the power conversion efficiency of organic
heterostructured photovoltaics (OPVs). Anticipating that polymers with different
backbone lengths produce different level of structural defects, we examined charge
transport
dependence
on
the
molecular
weight
of
poly[4,8-bis(5-(2-
ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-
ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl]
(PTB7-Th)
from 50 kDa to 300 kDa. We found p-type hopping transport in PTB7-Th,
characterized by 0.1 – 3× 10 −2 cm 2 /Vs mobility, which increases with temperature and
electric field. The polymer molecular weight exhibits a non-trivial influence on charge
transport. FET mobility in the saturation regime increases with molecular weight. A
similar trend is observed in TOF mobility and FET mobility in the linear regime,
except for the 100kDa polymer, which manifests in the highest mobility due to reduced
charge trapping. The lowest trapping at the dielectric interface of OFET is observed at
200 kDa. In addition, the 200 kDa polymer exhibits the lowest activation energy of the
charge transport. Although the 100 kDa polymer indicates the highest mobility, OPVs
using the 200 kDa polymer exhibit the best performance in terms of power conversion
efficiency.
V disertaciji so predstavljeni rezultati eksperimentalnih raziskav o vplivu energije
fotonov na fotovzbujeni transport naboja v organskih polprevodnikih. Organski
polprevodniki, ki smo jih preučevali so bili v obliki majhnih molekul (koranulen,
perilen in pentacenski derivati), polimerov (derivati politiofena in benzotiofena),
grafena, ter kombinacije teh materialov v heterostrukturah in kompozitih.
Prvi del je osredotočen na študij vpliva energije fotonov na optično absorpcijo in
časovno-odvisni tok fotovzbujenih nosilcev naboja v tankih plasteh koranulena.
Struktura molekule koranulena je ukrivljena in zaradi π-konjugacije izkazuje
prevodnost fotovzbujenih nosilcev naboja. V energijskem območju, kjer koranulen
nima optične absorpcije, smo opazili povečano prevodnost fotovzbujenih nosilcev
naboja. Ta pojav smo razložili s pomočjo teoretičnih izračunov optičnih ekcitacij v
molekuli koranulena, ki se nahaja v plinasti fazi. Analiza meritev je pokazala, da k
povečani prevodnosti prispevajo fotovzbujeni nosilci naboja, ki so zaradi ustrezne
energije fotonov vzbujeni v t.i. super atomske molekulske orbitale (SAMO). Te
orbitale so značilne za ukrivljene π-konjugirane molekule. V molekulah, ki niso
ukrivljene, teoretični izračuni ne napovedujejo SAMO orbital. Posledično, kot smo
tudi pokazali s študijo prevodnosti fotovzbujenih tokov v derivatu molekule perilena,
energijska odvisnost prevodnosti fotovzbujenih nosilcev naboja dosledno sledi optični
absorpciji.
V nadaljevanju so prikazani rezultati študije transporta naboja v plasteh poli(3-
heksiltiofena) (P3HT), ki so bili nanešeni iz raztopine na steklene podloge. Rezultati
nakazujejo, da je gibljivost fotovzbujenih nosilcev, ki je izmerjena preko metode časa
preleta (TOF), odvisna od energije absorbiranih fotonov. TOF gibljivost znaša 0,4 ×
10 -3 cm 2 /Vs pri energiji fotonov 2,3 eV (530 nm) in se podvoji pri 4,8 eV (260 nm).
TOF gibljivost smo primerjali z gibljivostjo nosilcev naboja izmerjeno v P3HT
tranzistorjih na poljski pojav (FET). FET gibljivost je podobna TOF gibljivosti pri
energiji fotonov 2,3 eV. Pokazali smo, da se gibljivost poveča z dodatkom grafenskih
nanodelcev. Nanodelce grafena smo dodali v raztopino P3HT v različnih masnih
razmerjih pred nanosom na stekleno podlogo. Pokazali smo, da se gibljivost bistveno
poveča že pri masnem razmerju grafena 0,2%. Z višanjem koncentracije se gibljivost
veča. Pri najvišji koncentraciji 3,2%, ki smo jo pripravili, doseže FET gibljivost
vrednost 2,3 × 10 -2 cm 2 /Vs. Ugotovili smo, da pri koncentracijah nad 0,8% pride do
ivzbiranja grafena v skupke, kar prepreči, da bi grafen tvoril prevodni most med
elektrodama in s tem izničil polprevodne lastnosti polimerskega kompozita.
Alternativni pristop za povečanje gibljivosti nosilcev naboja v organskih
polprevodnikih je povezan z urejanjem molekul v molekulskih kristalih. S tem
namenom smo uporabili inovativno večplastno nanostrukturo elektrod, ki temelji na
nanomrežici. Prostostoječo nanomrežico smo uporabili za tvorbo nano-stikov med
nanožicami N, N'-dioktil-3,4,9,10-perilendikarboksimida (PTCDI-C8) in kristali
bis(triizopropilsililetinil)pentacena (TIPS-PEN). Preučevali smo odzivni čas toka
fotovzbujenih nosilcev naboja. Ugotovili smo, da je odzivni čas odvisen od energije
fotonov. Pri vzbujanju z valovno dolžino 500 nm znaša odzivni čas 4,5 - 5,6 ns, pri
700 nm pa 6,7 - 7,7 ns. Poleg tega smo pokazali, da s termičnim popuščanjem
izboljšamo odzivni čas, kar je posledica višje urejenosti molekul v nanožicah. S tem
smo pokazali, da so strukturni defekti ključni dejavnik za učinkovitost pretvorbe
fotonov v naboj na stiku med dvema polprevodnikoma in nadaljni transport po
organskem polprevodniku.
Strukturni defekti vplivajo tudi na učinkovitost pretvorbe svetlobne energije v
električno energijo v organskih heterostrukturnih fotovoltaikih (OPV). Polimeri z
različnimi dolžinami osnovne verige se različno uredijo in s tem tvorijo različno
stopnjo strukturnih defektov. To smo dognali s tem, ko smo preučili odvisnost
transporta nabojev od molekulske mase v poli[4,8-bis(5-(2-etilheksil)tiofen-2-
il)benzo[1,2-b,4,5-b']ditiopen-2,6-diil-alt-(4-(2-etilheksil)-3-fluorotieno[3,4-b]tiofen-
2-karboksilat-2-6-diil] (PTB7-Th). Molekulska masa PTB7-Th je znašala od 50 kDa
do 300 kDa. Pokazali smo, da so vrzeli glavni nosilci naboja v PTB7-Th. Njihova
gibljivost znaša 0,1 - 3 × 10 -2 cm 2 /Vs. Gibljivost narašča s temperaturo in z električnim
poljem, kar je značilno za transport naboja s poskakovanjem. Molekulska masa
polimera ima netrivialen vpliv na transport naboja. FET gibljivost v nasičenem režimu
se povečuje z molekulsko maso. Podoben trend smo opaziti tudi pri meritvu TOF
gibljivosti, razen pri polimeru velikosti 100 kDa. Pri tem polimeru smo opazili, da je
gibljivost največja zaradi najnižje gostote pasti, ki lovijo nosilce naboja. Poleg tega
polimer z velikostjo 200 kDa kaže najnižjo aktivacijsko energijo transporta nosilcev
naboja. Čeprav ima polimer velikosti 100 kDa največjo gibljivost, OPV-ji z uporabo
polimera velikosti 200 kDa kažejo najboljšo učinkovitost v smislu učinkovitosti
pretvorbe moči.
organic
semiconductors
optical
absorption
spectroscopy
time-of-flight
photoconductivity
transient photocurrent spectroscopy
organic thin film transistors
atomic force microscopy
superatomic molecular orbitals
pn heterojunction
organic
nanowires
graphene
composites
charge mobility
charge trapping
temperature
dependence
photodetector
photovoltaic
solar cell
organic electronics
Organski polprevodniki
optična absorbcijska spektroskopija
čas preleta
tok
fotovzbujenih nosilcev naboja
časovno-odvisni električni tok
organski tankoplastni
tranzistorji
mikroskopija na atomsko silo
superatomske molekulske orbitale
pn
heterostructure
organske nanožice
grafen
kompoziti
gibljivost nosilcev naboja
pasti
naboja
temperaturna odvisnost
fotodetektor
fotovoltaika
sončna celica
organska
elektronika
true
true
false
Nadiia Pastukhova
Angleški jezik
Slovenski jezik
Doktorsko delo/naloga
2018-09-24 07:07:56
2018-10-08 05:19:38
2023-06-13 14:27:32
0000-00-00 00:00:00
2018
0
Nova Gorica
0
130
0000-00-00
NiDoloceno
NiDoloceno
NiDoloceno
0000-00-00
0000-00-00
0000-00-00
5239035
URN:SI:UNG:REP:TTUX0W0V
NPastukhova_thesis.pdf
NPastukhova_thesis.pdf
1
BE41CC1031372EB12759372EF0F228EE
cb51fd36536970db240bbbcbe29c01dcef784967a2ed27e84b03545c9a5bf21f
63f9c946-05ce-11ee-9c48-5ef991fed68f
https://repozitorij.ung.si/Dokument.php?lang=slv&id=17490
Fakulteta za podiplomski študij
0
0
0