Photoelektronen Spektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Am Institut für Polymertechnologie, einem interdisziplinären Zentrum der Bergischen Universität, werden u.a. Materialien für elektronische Bauteile (Solarzellen/OLEDs/Transistoren) synthetisiert und erforscht. Dabei ist die Bestimmung des Ionisationspotentials (HOMO-Energien) resp. der Austrittsarbeit der Materialien (konjugierte Polymere/Oligomere und Metalloxide) für deren maßgeschneidertes Design und zur Entwicklung hocheffizienter elektronischer Bauteile von hoher Bedeutung. Das bewilligte Photoelektronen-Spektrometer bietet im Gegensatz zu den aufwendigen, klassischen UPS-Messungen (Hochvakuumausstattung) oder Cyclovoltametrie-Messungen (Verwendung von höchstreinen Lösungsmittel) den Vorteil, solche Materialien als Filme unter Normalbedingungen (Luft, Atmosphärendruck) zu untersuchen. Die einfache Probenpräparation und kurze Messzeiten sind zusätzliche Benefits. Für die AG Makromolekulare Chemie wird das Photoelektronen-Spektrometer routinemäßig zur Bestimmung des HOMO-Energien im Rahmen der elektronischen Charakterisierung der neu synthetisierten Oligomere und Polymere eingesetzt, um Aussagen über deren möglichen Einsatz als aktive Schicht in organischen Bauelementen zu erhalten. U.a. geht aus den entwickelten Design-Regeln für organische Solarzellen hervor, dass die Donorkomponente (hier: aktives Oligomer/ Polymer) ein LUMO- Energieniveau < – 3,9 eV und eine Bandlücke zwischen 1,2 eV und 1,8 eV aufweisen soll. Dies entspricht HOMO-Energien der Donorkomponente zwischen -5.2 eV und -5.7 eV. Dazu wurden einem so genannten Donor-Akzeptor-Ansatz alternierende, konjugierte Copolymere synthetisiert. Diese Methode bietet die Möglichkeit, HOMO und LUMO-Energien bzw. die Bandlücken gezielt einzustellen. In der AG Elektronische Bauelemente wird das Photoelektronen-Spektrometer zur Bestimmung der elektronischen Austrittsarbeit von flüssigprozessierten Metalloxidschichten verwendet. Metalloxide, wie MoO3, WO3, V2O5, TiO2, ZnO oder dotierte Oxide wie Nb:TiO2, Al:ZnO, werden u.a. in organischen Solarzellen sowohl als transparente Elektroden, Ladungsträger-Extraktionsschichten oder Schutzschichten für die empfindlichen organischen Komponenten verwendet. Zudem sind sie auch der Schlüssel für semitransparente organische Solarzellen. Mit dem Photoelektron-Spektrometer kann sehr schnell und unter Atmosphärenbedingung ein erster Anhaltspunkt hinsichtlich der elektronischen Austrittsarbeit der Oxidschichten gewonnen werden. Damit kann unmittelbar deren Eignung als Elektronen-/Lochextraktionsschicht in organischen Solarzellen beurteilt werden. Die AG Großflächige Bauelemente beschäftigt sich mit plasmonisch verstärkten organischen Solarzellen. Die Charakterisierung von Schichtdicke und Austrittsarbeit von sehr dünnen, aus Lösung abgeschiedenen Oxidschichten, sowohl auf Glassubstraten als auch auf elastisch dehnbaren Folien wird u.a. mit Hilfe des Photoelektronen-Spektrometers durchgeführt. Die in der AG Röntgenphysik verwendete Röntgenabsorptionsspektroskopie im harten Röntgenbereich zur Untersuchung der elektronischen Struktur von halbleitenden Materialen wird, z.B. für CZTS-Solarzellen, durch das Photoelektronen-Spektrometer unterstützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Direct arylation poycondensation as simplified alternative for the synthesis of conjugated polymers” Prog. Polymer Sci.,2013, 38, 1805 - 18143
S. Kowalski, S. Allard, K. Zilberberg, T. Riedl, U. Scherf
- “Solution Processed Metal-Oxides for Organic Electronic Devices” J. Mater. Chem. C, 2013,1, 4796-48153
K. Zilberberg, J. Meyer, T. Riedl
- “Ultrathin interlayers of a conjugated polyelectrolyte for low work-function cathodes in efficient inverted organic solar cells” Org. Electron., 2013, 14, 951 – 957
K. Zilberberg, A. Behrendt, M. Kraft, U. Scherf, T. Riedl
- “Conjugated polymer-assisted dispersion of singlewall carbon nanotubes: The power of polymer wrapping” Acc. Chem. Res., 2014, 47, 2446 - 2456
S.K. Samanta, M. Fritsch, U. Scherf, W. Gomulya, S.Z. Bisri, M.A. Loi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ar500141j) - “Polyanionic, alkylthiosulfate-based, thiol precursors for conjugated polymer self-assembly onto gold and silver” ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 11758 - 11765
M. Kraft, S. Adamczyk, A. Polywka, K. Zilberberg, C. Weijtens, J. Meyer, P. Görrn, T. Riedl, U. Scherf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/am5025148) - “Scope and limitation of a direct arylation polycondensation scheme in the synthesis of PCPDTBT-Type copolymers” Macromol Rapid Commun., 2015, 36, 1061 – 1068
S. Kowalski, S. Allard, U. Scherf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/marc.201400557) - “Ultra low band gap α,β-unsubstituted BODIPY based copolymer synthesized by palladium catalyzed cross-coupling polymerization for near infrared organic photovoltaics” J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16279 – 16286
B. M. Squeo, N. Gasparini, T. Ameri, A. Palma- Cando, S. Allard, V. G. Gregoriou, C. J. Brabec, U. Scherf, C L. Chochos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5TA04229A) - „Plasmonically sensitized metal-oxide electron extrction layers for organic solar cells”. Sci. Reports, 2015, 5, 7765
S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, A. Behrent, A. Polywka, R. Heiderhoff, P. Görrn, T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep07765) - „Polymer-sorted semiconducting carbon nanotube networks for high-performance ambipolar fieldeffect transistors“ ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2015, 7, 682 – 689
S. P. Schiessl, N.Fröhlich, M. Held, F. Gannot, M. Schweiger, M. Forster, U. Scherf, J. Zaumseil
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/am506971b) - „Tin oxide (SnOx) as universal "light-soaking" free electron extraction material for organic solar cells” Adv. Energy Mater., 2015, 5, 1500277
S. Trost, A. Behrendt, T. Becker, A. Polywka, P. Görrn, T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201500277)
