Exzitonendiffusion in Molekülkristallen
Exzitonendiffusion in Molekülkristallen oder -aggregaten tritt in vielen organischen elektronischen Bauelementen einschließlich lichtemittierenden Dioden und fotovoltaischen Zellen auf. Effiziente organische Solarzellen erfordern eine lange Exzitonendiffusionslänge, wobei die Exzitonen zu einer Donor-Akzeptor-Grenzfläche diffundieren, den Prozess der Ladungstrennung zu initiieren. Auf diese Weise wird Fotostrom erzeugt. Das Projekt EXTMOC (Exciton transport in molecular crystals: The role of dynamic disorder) wurde ins Leben gerufen, um ein genaues theoretisches Modell zu entwickeln, das die Exzitonendiffusion in Molekülkristallen beschreibt. Schwerpunkt dabei war die Einführung thermischer Molekularbewegungen (dynamische Störung) in die Näherung. Man ging in mehreren Stufen vor: Entwicklung eines geeigneten Diabatisierungsschemas zur Berechnung exzitonischer Kopplungen, Bewertung der Schwankung der exzitonischen Kopplungen aufgrund der thermischen atomaren Bewegungen und theoretische Modellierung zur Untersuchung der Exzitonendiffusion unter kohärentem und inkohärentem Regime. Es hat sich gezeigt, dass die exzitonische Kopplung in Molekülkristallen bei Raumtemperatur in Folge der kombinierten thermischen Bewegungen der Kerne sehr starken Schwankungen unterliegt. Man entwickelte ein Diabatisierungsprogramm, um die exzitonischen Kopplungen zwischen einer beliebigen Anzahl von Zuständen in Molekülpaaren zu berechnen. Das Verfahren basierte auf einem algebraischen Verfahren zum Auffinden diabatischer Zustände mit Eigenschaften, die so nahe wie möglich an einigen Referenzzuständen sind. Für die Hopping-Rate zwischen lokalisierten Zuständen in halbleitenden ungeordneten Polymeren wurde ein Ausdruck abgeleitet, welcher die in der Literatur am häufigsten verwendeten Raten als Sonderfälle enthält. Diese Raten können nicht direkt aus den Theorien zur Elektronentransferrate ermittelt werden, da es nicht möglich ist, diabatisch-lokalisierte Zustände zu definieren, wenn die Lokalisierung durch Störung verursacht wird. Anstatt von Kernpolarisierungseffekten ist das bei den meisten Polymeren der Fall. Das Team untersuchte den Mechanismus der Erzeugung von freien Ladungen in organischen Photovoltaikzellen aus elektrostatisch gebundenen Elektron-Loch-Paaren. Man demonstrierte, dass thermische Bewegungen in Molekülkristalle eine erhebliche Schwankung der exzitonischen Kopplung zwischen benachbarten Molekülen (dynamische Unordnung) bewirken. Der Effekt einer derartigen Schwankung für die die Exzitonendynamik wurde anhand von zwei gegensätzlichen Fällen erforscht, die durch Kristalle aus Anthracen und einem Heteropentacen-Derivat verkörpert wurden. Die Erkenntnisse aus der Studie könnten die Auslegung von Fotovoltaiktechnologie maßgeblich verbessern.
Schlüsselbegriffe
Exziton, Diffusion, lichtemittierende Diode, Solarzelle, fotovoltaische Zelle, Diabatisierung, Anthracen, Hetero-Pentacen
