Growth Studies of Organic Heterostructures for Photovoltaic Applications

Abstract

The aim of this work was the characterization of organic heterostructures with different geometries and material combinations relevant for organic photovoltaic. The studied geometries include planar heterostructures, i.e. one material is deposited on top of the other, and mixed heterostructures (two materials are deposited at same time to form a mixed heterostructure). The organic heterostructures were prepared by thermal evaporation in ultra high vacuum and characterized by X-ray scattering. For planar heterostructures it was shown that for controlled deposition a detailed knowledge of the properties of the first layer is essential to predict the growth behavior of top layer. For one material combination it was shown that the molecular orientation and crystal quality in terms of the in-plane coherent island size of the top layer vary significantly with the molecular orientation and crystal quality of the bottom layer. In addition, the deposition of an organic compound onto the surface of a thin film of another compound may lead to smoothing at the interface. The observed smoothing for crystalline organic heterostructures follows a fundamentally different mechanism than the smoothing observed in growth of anorganic materials. The key question for growth of organic mixed heterostructures is if both compounds intermix on a molecular level or phase separate. Based on results from X-ray scattering the following conclusions on mixed heterostructure growth can be drawn: The strong interaction between hydrocarbons and similar perfluorinated compounds leads to the formation of equimolar molecular mixed complexes both for structurally nearly equivalent compounds as well as for structurally different compounds. In films with a molar mixing ratio deviating from 1:1, phase separation between the equimolar mixtures and the pure structures is observed. Mixtures of different phthalocyanines form solid solutions with continuous solubility of one compound in a crystal of the other compound. Mixtures of the spherical compound C60 with planar compounds exhibit phase separation independent of mixing ratio. Moreover, the coherently ordered in-plane island sizes in these blends change significantly with growth temperature. Upon growth at low temperatures, the phase separation s less pronounced compared to growth at high temperatures.

Das Ziel dieser Arbeit war die Präparation und die eingehende strukturelle Charakterisierung von organischen Heterostrukturen relevant für photovoltaische Anwendungen. Es wurden sowohl planare Heterostrukturen, d.h. Bilagen zweier organischer Halbleiter, als auch gemischte Heterostrukturen untersucht. Die planaren und gemischten Heterostrukturen wurden mittels Verdampfung im Vakuum hergestellt und mit Röntgenstreuung während und nach der Bedampfung charakterisiert. Als Materialien wurden folgende organische Halbleiter verwendet: Diindenoperylen (DIP), Pentazen (PEN), perfluoriertes Pentazen (PFP), Kupfer-Phthalozyanin (H16CuPc), perfluoriertes Kupfer-Phthalozyanin (F16CuPc), Buckminster Fulleren (C60). Als Substrate wurden Siliziumdioxid (SiO2), Indium-Zinnoxid (ITO) und die Polymermischung PEDOT:PSS verwendet. Für das Wachstum der planaren Heteroschichten wurde gezeigt, dass für die kontrollierte Deposition eine detaillierte Charakterisierung der Eigenschaften der unteren Schicht unverzichtbar ist, um das Wachstumsverhalten der zweiten vorhersagen zu können. Für verschiedene Materialsysteme wurde die molekulare Orientierung und die Größe der kohärenten kristallinen Inseln der oberen Materialschichten in Abhängigkeit der Eigenschaften der unteren Schicht gemessen, wodurch gezeigt wird, dass die untere Schicht eine 'Vorlage' für das Wachstum der oberen Schicht darstellt. Außerdem kann die Bedampfung eines organischen Halbleiters mit einem zweiten organischen Halbleitermaterial zu einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit an der Grenzfläche führen. Die beobachtete Rauhigkeitsreduktion weist einen Glättungsmechanismus auf, der fundamental unterschiedlich zum Glättungsmechanismus bei anorganischen Halbleitern ist. Zentral bei der Betrachtung von organischen binären Mischungen in dünnen Schichten war, inwieweit sich die Materialien separieren oder eine Mischung auf molekularer Ebene eingehen. Die starke Wechselwirkung zwischen Kohlenwasserstoffen und perfluorierten Verbindungen führt zum Aufbau äquimolarer molekularer Komplexe, sowohl für strukturell sehr ähnliche Verbindungen als auch für strukturell unterschiedliche Verbindungen. In Filmen, die von einer molaren Mischungsrate von 1:1 abweichen, bildet sich Phasenseparation zwischen den 'Überschussmolekülen' der jeweiligen Verbindung und der äquimolaren Mischung aus. Mischungen verschiedener Phthalozyanine bilden Mischkristalle mit kontinuierlicher Löslichkeit von einer Verbindung im Kristall der anderen Verbindung. Mischungen von C60 mit planaren Verbindungen weisen ausgeprägte Phasenseparation zwischen beiden Verbindungen auf unabhängig vom Mischungsverhältnis. Der Grad der Domänengröße und die Kristalldefektdichte sind stark abhängig von der Substrattemperatur. In Verbindung mit elektronischen Messungen, die von Projektpartnern innerhalb des DFG Schwerpunktsprogramms: 'Elementarprozesse der organischen Photovoltaik' durchgeführt wurden, konnten durch diese Arbeit Rückschlüsse auf den Zusammenhang zwischen Struktur und Effizienz in organischen Solarzellen geführt werden.