Entwurf und Synthese stabiler halbleitender wasserstoffbrückengebundener Organophosphonsäure-Gerüste (Phosphonsäure-HOFs) für optoelektrische Anwendungen (optoHOF)

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Christoph Goldschmidt; Dr. Gündog Yücesan
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573314235

Im Projekt optoHOF sollen neuartige thermisch stabile, mikroporöse organische Halbleiterdünnschichten auf der Grundlage wasserstoffgebundener organischer Gerüstverbindungen (HOFs) synthetisiert und deren Einsatz in optoelektronischen Komponenten, insbesondere Solarzellen untersucht werden. Diese HOFs werden unter Verwendung von Arylphosphonsäuren mit Carbazol-, Triphenylyn- und Pyren-Lumineszenzkernen hergestellt. Wir gehen davon aus, dass Wasserstoffbrückenbindungen die lumineszierenden Kerne innerhalb des Kristallgitters ausrichten und so ein halbleitendes Verhalten induzieren und die optoelektronischen Eigenschaften optimieren. Die inhärente thermische und chemische Stabilität von Arylphosphonsäuren wird voraussichtlich zu nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Dünnschichtstrukturen führen, die für kommerzielle optoelektronische Anwendungen geeignet sind. Um die Oberfläche und die optoelektronischen Eigenschaften der HOF-Kristalle und daraus abgeleitete Dünnschichten weiter zu optimieren, planen wir die Synthese längerer phenylgebundener Linker über Suzuki-Cross-Kopplung. Darüber hinaus sollen unterschiedliche Phosphonsäure-Protonierungsgrade eingesetzt werden, um die strukturelle Vielfalt zu erhöhen und die optoelektronischen Eigenschaften von HOF-Dünnschichten und Einkristallen zu optimieren. Zur Charakterisierung der Oberfläche der HOFs werden BET-Methoden eingesetzt. Die elektrischen und ionischen Leitfähigkeiten sowohl von HOF-Dünnschichten als auch von Einkristallen werden gemessen. Um die synthetisierten HOF-Materialien in Solarzellen einzusetzen werden Formulierungen für Precursor-Tinten entwickelt und die Abscheidung und Kristallisation dünner Filme aus der Flüssigphase optimiert. Eine umfassende optoelektronische Charakterisierung der HOF-Pulvern und -Dünnschichten wird durchgeführt, um die Ladungsträgergenerations und -rekombinationseigenschaften zu untersuchen. Dies umfasst die Bestimmung der Bandlücke durch UV-Vis- und Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie, der PL-Quantenausbeute (PLQY), sowie hyperspektralen PL (hyPL)-Bildgebung und zeitaufgelösten PL (trPL)-Abklingmessungen. Die Leitfähigkeit der HOW-Schichten wird durch licht- und temperaturabhängige Photo-Hall- und Vierleitermessungen ermittelt. Solarzellen auf HOF-Basis werden hergestellt, indem HOF-Dünnschichten in Filmstapel eingebaut werden, welche aus energiebandorientierter transparenter Ladungsextraktionsschichten und geeigneten Elektrodenschichten zusammen gesetzt sind. Der Wirkungsgrad dieser HOF-Solarzellen wird durch Strom-Spannungs-Messungen unter simuliertem Sonnenlicht (AM1.5g) bestimmt. Um die Verlustmechanismen zu quantifizieren, werden die Rekombinations-, Transport- und Extraktionsdynamik photogenerierter von Ladungsträger mittels PLQY, hyPL und trPL analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen