Charge separation in organic photovoltaics
Polymere mit Halbleiter-Eigenschaften haben ein gro\xdfes Anwendungspotential in der organischen Photovoltaik, da sich ihre optischen und elektronischen Eigenschaften \xfcber die molekulare Struktur gezielt \xe4ndern lassen. Durch die Synthese von Copolymeren mit besonders kleiner optischer Bandl\xfccke (low-bandgap Copolymere) konnte die Absorption von Sonnenlicht weiter in den infraroten Spektralbereich ausgedehnt und somit die Konversion von Sonnenlicht in elektrische Energie deutlich verbessert werden. Diese neuartigen Donor-Akzeptor Materialien basieren auf einer alternierenden Anordnung von elektronen-reichen und -armen Bl\xf6cken, die durch elektronische Kopplung neue Energieniveaus mit kleinerer optischer Bandl\xfccke bilden.\nZiel dieser Arbeit ist die eingehende Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften dieser weitgehend unerforschten Molek\xfcle. Die ersten drei Kapitel bieten dem Leser eine Einf\xfchrung in das Forschungsgebiet und in die theoretische Beschreibung konjugierter Polymere, sowie einen \xdcberblick \xfcber den aktuellen technischen Stand organischer Photovoltaik. Kapitel 4 gibt eine Zusammenfassung der verwendeten experimentellen und theoretischen Methoden.\nDer erste Teil der Untersuchung von Donor-Akzeptor Materialien gilt den Photoanregungen und der korrekten Zuordnung ihrer spektralen Signaturen (Kap. 5). Diese erm\xf6glicht eine Zuordnung der spektralen Signaturen zu stark gebundenen, elektrisch neutralen Exzitonen, bzw. leichter zu trennenden Ladungstr\xe4gerpaaren mit kleinerer Bindungsenergie, sogenannten Polaronenpaaren. Aufgrund der schwachen elektrischen Abschirmung von Ladungen in organischen Materialen liegen die meisten Photoanregungen als Exzitonen vor. In dieser Hinsicht zeigen spektroskopische Messungen auf Femtosekunden-Zeitskala erstmals den andersartigen Charakter von Donor-Akzeptor Materialien und demonstrieren den gro\xdfen Einfluss ihrer Struktur auf die Art der erzeugten Photoanregungen. Sie zeigen, dass bei Photoanregungen dieser neuartigen Materialien neben Exzitonen auch ein betr\xe4chtlicher Anteil an Polaronenpaaren entsteht. Diese Donor-Akzeptor Materialien weisen einen Polaronenpaar-Anteil von bis zu 24% aller Photoanregungen auf, was dem Dreifachen der Effizienz vergleichbarer Homopolymere entspricht (Kap. 6). Weitere Untersuchungen zeigen au\xdferdem eine erh\xf6hte Erzeugungsrate bei k\xfcrzeren Anregungswellenl\xe4ngen. Dies kann auf eine Korrelation mit einem ausgepr\xe4gten Elektronentransfer der involvierten Wellenfunktion zur\xfcckgef\xfchrt werden, welcher in theoretischen Simulationen deutlich wird (Kap. 7).\nZusammenfassend geben die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse einen detaillierten Einblick in die optischen und elektronischen Eigenschaften von Donor-Akzeptor Copolymeren und den starken Einfluss der molekularen Struktur auf die ersten Schritte der photovoltaischen Stromerzeugung. Zusammenh\xe4nge zweier Schl\xfcsselfaktoren f\xfcr die Effizienzsteigerung zuk\xfcnftiger organischer Solarzellen mit Materialparametern werden deutlich. Dies sind die Erzeugungseffizienz und die Lebensdauer von Polaronenpaaren und deren Abh\xe4ngigkeit von der Elektronegativit\xe4t und der Abstand von Akzeptor- zu benachbarten Donorsegmenten. Weiterhin konnte eine ausgepr\xe4gte Polaronenpaar Erzeugung \xfcber das ganze Absorptionsspektrum nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse bieten eine gro\xdfe Hilfestellung bei der weiteren Optimierung von Polymeren f\xfcr Photovoltaik. Au\xdferdem heben sie den wichtigen Beitrag der Ultrakurzzeit Spektroskopie zum grundlegenden Verst\xe4ndnis der Polaronenpaarerzeugung hervor. Mit diesen Mitteln k\xf6nnte eine Verringerung des Spannungsverlustes m\xf6glich werden, der zur Ladungstr\xe4gertrennung in organischen Materialien n\xf6tig ist.