Ladungstransportschichten Für Effiziente Organische Halbleiterbauelemente

Alexander Colsmann Ladungstransportschichten für effiziente organische Halbleiterbauelemente universitätsverlag karlsruhe Alexander Colsmann Ladungstransportschichten für effiziente organische Halbleiterbauelemente Ladungstransportschichten für effiziente organische Halbleiterbauelemente von Alexander Colsmann Dissertation, Universität Karlsruhe (TH) Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2008 Impressum Universitätsverlag Karlsruhe c/o Universitätsbibliothek Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.uvka.de Dieses Werk ist unter folgender Creative Commons-Lizenz lizenziert: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ Universitätsverlag Karlsruhe 2009 Print on Demand ISBN: 978-3-86644-332-7 Lichttechnisches Institut Engesser Straße 13 76131 Karlsruhe Ladungstransportschichten fu¨r effiziente organische Halbleiterbauelemente Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEURS von der Fakult¨at fu ¨r Elektrotechnik und Informationstechnik der Universit¨at Fridericiana Karlsruhe genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Phys. Alexander Colsmann geb. in Berlin-Wilmersdorf Tag der mu ¨ndlichen Pru ¨fung: 05. Februar 2008 Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Uli Lemmer Koreferentin: Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiff´ee i Zusammenfassung Nachdem sich organische Leuchtdioden (OLEDs) in den letzten Jahren bereits ihren Platz auf dem Displaymarkt erk¨ampft haben, befinden sich Solarzellen aus organischen Materialien noch immer im Forschungsstadium. Besonderes Augenmerk gilt dabei neben der Effizienzoptimierung der preiswerten und großfl¨achigen Prozessierbarkeit. Ob der Markteintritt der organischen Solarzellen in der Zukunft mit fl¨ ussigprozessierten/gedruckten oder vakuumsublimierten Solarzellen vollzogen wird, gilt derzeit als offen. Im Rahmen dieser Arbeit werden optimierte, sowohl fl¨ ussig- als auch vakuumprozessierte, organische Solarzellen und Leuchtdioden vorgestellt. Verbesserungen der Bauelemente wurden dabei im Wesentlichen durch eine Optimierung der Elektroden und den gezielten Einsatz geeigneter Ladungstransportschichten erreicht, wobei den elektrisch dotierten Schichten besondere Aufmerksamkeit galt. Teil dieser Arbeit war der Aufbau der Technologie zur organischen D¨ unnschichtdeposition unter Reinraumbedingungen sowohl aus der Fl¨ ussigphase unter Schutzgas als auch im Vakuum. Diese Aufgabe beinhaltete den Aufbau einer integrierten Charakterisierungsumgebung f¨ ur organische Solarzellen und Leuchtdioden mitsamt einer geeigneten Steuersoftware. Durch Optimierung des Fl¨ ussigphasen-Applikationsprozesses f¨ ur Solarzellen aus dem Mischsystem Poly-(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und [6,6]-Phenyl-C61 -butyric-acidmethyl-ester (PCBM) sowie anschließende thermische Nachbehandlung der Schichten konnten Polymersolarzellen mit einer Effizienz von u ¨ber 3 % hergestellt werden. Als bestes Material zur Herstellung einer Kathode f¨ ur P3HT:PCBM-Solarzellen wurde das reaktive Kalzium identifiziert. Um eine flexiblere Auswahl der Kathode zu erm¨oglichen, wurden erstmals die Fl¨ ussigphasen-Deposition und die Vakuumsublimation organischer Materialien bei der Herstellung organischer Solarzellen kombiniert. Polymersolarzellen mit Kathoden aus dem stabileren Aluminium mit h¨oherer Austrittsarbeit zeigten ¨ahnlich gute Leistungsdaten, wenn zwischen der aktiven Schicht und der Kathode eine n-dotierte Schicht aus vakuumsublimiertem, Lithium dotiertem Bathophenanthrolin (BPhen:Li) aufgebracht wurde. Aus den Versuchen mit anderen vakuumprozessierten Elektronenleitern anstelle des technisch aufw¨andig herzustellenden BPhen:Li hob sich 2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tertbutylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (BuPBD) hervor. Dieses nominell undotierte Material erh¨ohte wie zuvor BPhen:Li die Leerlaufspannung Uoc der Solarzelle. Untersuchungen der Solarzel