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Test von Spin-Verfahren für neue Materialkonzepte in der organischen Photovoltaik

Photovoltaik auf Basis organischer Elektronik ist im Bereich erneuerbarer Energien vielversprechend. Detaillierte Kenntnisse zur Energieumwandlung auf Nanoebene sind jedoch Voraussetzung für das rationale Design neuer Materialien und die Optimierung der Technologie.

Energie

Bei organischen Elektroniksystemen vermitteln organische kleine Moleküle oder Polymere nützliche elektronische Eigenschaften wie Leitfähigkeit. Da sie kostengünstig und einfach zu verarbeiten sind, sind sie auf dem Energiemarkt wettbewerbsfähig. Ihre Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bei Farbe und Transparenz wiederum sind etwa bei der Gebäudeplanung ein Vorteil. Das EU-finanzierte Projekt SpinSolar analysierte detaillierte spinabhängige Prozesse bei organischen Molekülen und Materialien für die Photovoltaik und Optoelektronik mittels Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR). Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm. „Spins in neuen Funktionsmaterialien zu detektieren und deren Umgebung und Wechselwirkungen zu charakterisieren, kann Aufschluss darüber geben, wie deren molekulare Eigenschaften die Funktion bei potenziellen künftigen technologischen Anwendungen beeinflussen“, sagt Projektkoordinator Jan Behrends.

Analysen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

Mittels ESR gewann die Forschunggruppe neue Einblicke in die Natur und Dynamik paramagnetischer Moleküle bei neuen organischen Funktionsmaterialien. ESR ist herkömmlichen Verfahren zur Charakterisierung dieser Materialien überlegen, da selektiv Moleküle mit ungepaarten Elektronen untersucht werden können und direkte Informationen zur Nanoumgebung geliefert werden. Untersucht wurde nun, wie molekulare Strukturen organischer Moleküle und Materialien mit deren elektronischen Eigenschaften korrelieren. Ein weiterer Schwerpunkt war eine Reihe verdrehter Acene, d. h. organische Moleküle aus kondensierten Benzolringen, die als aktive Materialien in verschiedensten Geräten für die organische Elektronik fungieren. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, wie sich die Verteilung ungepaarter Elektronen im photoangeregten Triplettzustand des Moleküls veränderte, sobald es vom planaren in den verdrehten Zustand wechselte, und wie sich dies auf seine Eigenschaften auswirkte. „Selbst eine geringfügige Änderung des Verdrehungsgrades beeinflusste deutlich die gemessenen ESR-Spektren, was die hohe Sensitivität der Technik belegt“, erklärt Marie Skłodowska-Curie-Stipendiatin Claudia Tait.

Neue Einblicke in wichtige Materialeigenschaften

Eine der schwierigsten Aufgaben in der organischen Elektronik ist es, die Leitfähigkeit von Polymeren durch molekulare Dotierung zu steuern. SpinSolar untersuchte daher die Dotierung von P3HT, einem organischen Polymer, das durch Oxidation leitfähig gemacht und dann in Solarzellen, Feldeffekttransistoren und chemische Sensoren eingesetzt werden könnte. „In einer kombinierten optischen und ESR-Analyse verglichen wir verschiedenste Dotierstoffe und Polymerformen auf der Suche nach den molekularen Eigenschaften, die für eine effiziente Dotierung wichtig sind“, erklärt Behrends. Eine ESR-Analse quantifizierte und charakterisierte die durch Dotierung erzeugten paramagnetischen Spezies und ergab, dass der Dotierungsmechanismus von der Fähigkeit des Polymers abhängt, die erworbene Ladung zu delokalisieren. Größe und Form des Dotierstoffmoleküls spielen hingegen weniger eine Rolle. Weiterhin fand man heraus, dass die ESR-Spektralsignatur des Polymer-Dotierstoff-Systems wesentlich vom Dotierstoff abhängt, und dass modernste gepulste ESR-Techniken mit mehreren Frequenzbändern Voraussetzung für eine genaue Charakterisierung sind. SpinSolar demonstrierte, dass sich insbesondere mit diesen gepulsten ESR-Techniken zahlreiche Forschungsfragen klären lassen. Tait und Behrends kommen zu dem Schluss: „Das mit dieser Technik gewonnene Wissen über Korrelationen zwischen Molekülstruktur und elektronischen Eigenschaften kann das Design neuer Funktionsmaterialien und Materialkombinationen für Photovoltaik- und andere organische elektronische Geräte enorm voranbringen.“

Schlüsselbegriffe

SpinSolar, organische Elektronik, Elektronenspinresonanz (ESR), Photovoltaik, molekulare Dotierung

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