Oberflächenphotospannung an Grenzflächen mit organisch-anorganischen und organisch-organischen Nanokompositen

Abstract

Nanokomposite sind Verbundmaterialien deren Komponenten auf der Nanometerskala miteinander durchmischt sind. Im Fall von Solarzellen handelt es sich bei den Komponenten um anorganische Halbleiter und organische Moleküle, zwischen denen sich eine Volumengrenzfläche ausbildet. Sind beide Komponenten organische Moleküle, so bildet sich eine organisch-organische Grenzfläche aus, wie sie z.B. in organischen Solarzellen vorkommt. Eine anorganisch-organische Volumengrenzfläche bildet sich in Nanokompositen aus anorganischen Halbleitern und organischen Molekülen aus wie z.B. in Schichten aus kolloidalen Quantenpunkten. Für anorganische Halbleiter sind die ungesättigten Bindungen für die elektronische Struktur der Grenzfläche bestimmend. Sie können lokalisierte Zustände ausbilden, in welche freie Ladungsträger aus den Bändern eingefangen werden oder rekombinieren können. In organischen Molekülen sind die Bindungen abgesättigt, wodurch sich an einer reinen organischen Grenzfläche keine lokalisierten Zustände ausbilden. Die Beeinflussung der Molekülzustände einer organischen Grenzfläche durch Zustände eines angrenzenden Materials können zur Ausbildung von Ladungsaustauschzuständen (CT-Zuständen) führen. Ladungsträger sind innerhalb eines konjungierten Moleküls über das gesamte Molekül delokalisiert. Es wurde mittels transienter und modulierter Messungen der Oberflächenphotospannungs (SPV) die Ladungstrennung an anorganisch-organischen Grenzflächen am Beispiel von CdSe- Quantenpunkten abgeschieden auf ITO und Schichten von Subphthalocyanin (SubPc), Zinkphthalocyanin (ZnPc), Magnesiumphthalocyanin (MgPc) und dem Fulleren C60, abgeschieden auf ITO und Gold, untersucht. Am Beispiel von Akzeptor-Donator-Mischschichten aus SubPc und C60 bzw. MgPc und C60 wurde die Ladungstrennung an organisch-organischen Grenzflächen untersucht. Die Auswertung der SPV-Messungen erfolgte sowohl qualitativ als auch quantitativ durch Anpassung der Messdaten mit simulierten Transienten und Spektren. Hierzu wurden für die untersuchten Materialsysteme vereinfachte Modelle entwickelt und in Zufallsbewegungssimulationen integriert. Die Modelle berücksichtigen räumliche und energetische Verteilungen von lokalisierten und delokalisierten Zuständen sowie Rekombinationsniveaus. Die Verwendung vereinfachter Modelle erlaubte, aufgrund der stark reduzierten Simulationszeit, die Anpassung der SPV-Messungen realer Systeme mit den aus den Simulationen berechneten Daten, wodurch erstmalig SPV-Transienten über sieben Größenordnungen in der Zeit und modulierte SPV Spektren angepasst werden konnten. Die Anpassung der physikalischen Größen erfolgte durch wiederholte nacheinander folgende Optimierung der einzelnen Größen. Um die Verwechslung von lokalen mit globalen Minima im Fehlerquadrat der Abweichung der simulierten von der realen Messung zu vermeiden, wurden vor jedem Anpassungsversuch den zu optimierenden Größen zufällige Rangnummer zugeordnet, die die Reihenfolge, in der die Größen optimiert werden, festlegt. Des Weiteren wurden an Akzeptor-Donator- Mischschichten mittels modulierter SPV-Messungen HOMO- und LUMO- Fehlanpassungen bestimmt. Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichten die Bestimmung der Verteilung transportlimitierender Defekte in Bezug zu delokalisierten Zuständen und Rekombinationsniveaus.

Nanocomposites are composites of materials interpenetrating each other on the nanometer scale. In the case of solar cells, this components are inorganic semiconductors and organic molecules between which a bulk interface is formed. If both components are organic molecules, an organic-organic interface will occur, like, for example, in organic solar cells. If the nanocomposite consists of inorganic semiconductors and organic molecules, an inorganic- organic bulk interface is formed, as it is the case, for example, for colloidal quantum dots embedded in molecules. Organic and inorganic materials, caused by their different surface electronic structures, form different interfaces. For inorganic semiconductors, unsaturated bonds determine the electronic structure of the interface. They can form localized states, which lead to trapping and recombination of free charge carriers from the bands of the inorganic semiconductor. Bonds of organic molecules are saturated; therefor pure organic interfaces have no localized states. Molecular states of an organic interface can be influenced by states of adjacent material which can lead to the formation of charge transfer states (CT-states). In a conjugated molecule, charge carriers are delocalized over the entire molecule. In this work, charge separation at inorganic-organic interfaces using the example of CdSe quantum dots deposited on ITO and layers of subphthalocyanine (SubPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), magnesium phthalocyanine (MgPc) and the fullerene C60, deposited on ITO and gold, is examined by transient and modulated surface photovoltage (SPV) measurements. Using the example of an acceptor-donor blend, charge separation at organic-organic interfaces was examined. For this purpose, nanocomposites of SubPc and C60 as well as of MgPc and C60 were investigated. The analyses of the SPV measurements carried out qualitatively as well as quantitatively by fitting measured data with simulated transients and spectra. For this purpose, simplified models of the investigated material systems were developed and integrated into random walk simulations. The models take into account spatial and energetic distributions of localized and delocalized states as well as recombination levels. The use of simplified models allowed, due to the strong reduction in simulation time, fitting SPV transients of real systems with those calculated from simulations, which made it possible to fit SPV transients over seven orders of magnitude in time and modulated SPV spectra for the first time. The adjustment of physical variables was carried out by repeated successive optimization of individual variables. In order to avoid the confusion of local with global minima of the squares of the deviation of simulated and real measurements, a random rank number deciding the order of optimization of variables has been assigned to each variable to be optimized before each adjustment attempt. It was demonstrated for acceptor-donor blend layers, how HOMO and LUMO offsets can be determined by means of modulated SPV measurements. Carried out investigations allowed the determination of the distribution of transport limiting defects in relation to the delocalized states and recombination levels.