Effektive Lichtverstärker: Verbundpolymere für holographische Anwendungen

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Westf. Wilhelms-Universität Institut für Angewandte Physik

Zur Charakterisierung der neuen Komposite werden verschiedene Techniken verwendet, die jeweils die einzelnen Teilprozesse des photorefraktiven Effektes berücksichtigen. Die Absorption wird mittels UV/Vis-Spektroskopie untersucht. Das Absorptionsspektrum in Abbildung 3 macht deutlich, dass Verbundpolymere, die DiPBI enthalten, ein wesentlich stärkeres und breitbandigeres Absorptionsverhalten zeigen. Die Photoleitfähigkeit wird durch Aufnahme des in der Probe generierten Stromes unter homogener Beleuchtung mit einem aufgeweiteten Laserstrahl untersucht. Die ermittelten Daten veranschaulichen, dass die Photoleitfähigkeit durch den Einsatz von DiPBI erheblich gesteigert werden kann. Diese Überlegenheit der DiPBI enthaltenden Komposite ist aber nicht nur für einen bestimmten Sensibilisatoranteil gewährleistet. Vielmehr kann der DiPBI-Anteil sogar so weit reduziert werden, dass die Absorption unter der von PCBM enthaltenden Kompositen liegt und die Photoleitfähigkeit dank DiPBI trotzdem erheblich größer ist [3, 4].

Erhöhte photorefraktive Leistungsfähigkeit

Um die photorefraktiven Eigenschaften der Komposite nachzuweisen und zu bestimmen, wird die als Zweistrahlkopplung bekannte Technik verwendet (s. Info-Kasten). Mit dieser Methode ist es möglich, den Verstärkungskoeffizienten und die Geschwindigkeit des photorefraktiven Effektes zu bestimmen. Der Verstärkungskoeffizient ist ein Maß für die Güte der Kopplung während des Experiments und illustriert, wie groß der Energieübertrag von einem Strahl in den anderen ist. Durch die Verwendung von DiPBI ist es gelungen, den photorefraktiven Effekt etwa 40-mal schneller gegenüber PCBM enthaltenden Kompositen zu machen und somit dem Einsatz der Komposite in Echtzeitanwendungen einen großen Schritt näher zu kommen [3]. Darüber hinaus konnte der Verstärkungskoeffizient verdoppelt werden, wie Abbildung 4 zeigt. Genauere Betrachtungen der Ergebnisse aus beiden Experimenten erlauben Rückschlüsse auf den Mechanismus, der diesen Verbesserungen zugrunde liegt. Durch den Austausch des Sensibilisators werden zum einen mehr Ladungsträger erzeugt, zum anderen geschieht dies auch noch in einer sehr viel kürzeren Zeit. Somit wird auf der einen Seite das Raumladungsfeld schneller aufgebaut und auf der anderen Seite besitzt es auch noch eine größere Amplitude, was den höheren Verstärkungskoeffizienten erklärt.

DiPBI in organischen Solarzellen

Die überragenden Ergebnisse bezüglich der Photoleitfähigkeit, die mittels DiPBI in photorefraktiven Kompositen erzielt werden konnten, können nun auch auf organische Solarzellen mit Bulk-Heterostruktur übertragen werden. Auch in diesem Bereich der organischen Optoelektronik ist PCBM eines der am häufigsten eingesetzten Materialien, woraus sich folgern lässt, dass DiPBI durch seine herausragenden Eigenschaften auch hier zu erheblichen Effizienzsteigerungen beitragen wird. Gerade im Hinblick auf die effiziente Ausnutzung des gesamten Sonnenspektrums gibt es erheblichen Verbesserungsbedarf, da bisher überwiegend Licht im blauen und grünen Spektralbereich genutzt wird. Die Energie des roten und nahinfraroten Bereiches geht hingegen weitgehend ungenutzt verloren. Ein breitbandig absorbierendes Material wie DiPBI, das zudem noch eine hohe Ladungsträgermobilität besitzt, ist daher ein idealer Kandidat für den Einsatz in organischen Solarzellen.

Weitere Informationen zur Forschung der Arbeitsgruppe Denz finden Sie hier.

Ergänzendes zum Thema

Info zu organischen Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen i.d.R. aus mehreren Schichten: den (transparenten) Elektroden, Ladungsträger transportierenden und blockierenden Schichten und der photoaktiven Schicht. Die photoaktive Schicht in organischen Solarzellen setzt sich meist aus einem Donor und einem Akzeptor zusammen. Diese Komponenten absorbieren das Licht und erzeugen dadurch Ladungsträger. Beim Aufbau von organischen Solarzellen unterscheidet man grundsätzlich die Bulk-Hetero-struktur (s. Abb. 5) und die Bilayer-Heterostruktur. Bei der Bulk-Heterostruktur sind Donor und Akzeptor miteinander vermischt und bilden somit die größtmögliche Grenzfläche zwischen beiden Komponenten [6], was der Ladungstrennung zugutekommt. Der Ladungstransport ist in dieser Konfiguration aufgrund der inhomogenen Schicht benachteiligt, da nicht gewährleistet ist, dass die Ladungsträger ungehindert zu den Elektroden transportiert werden können. Bei der schichtweise aufgetragenen Bilayer-Hetero- struktur ist diese Beziehung entgegengesetzt. Hier findet die Ladungstrennung nur an der Grenzfläche zwischen beiden Schichten statt. Der Ladungstransport funktioniert hier optimal, da die einzelnen Schichten homogen sind.

Ergänzendes zum Thema

Info: Photorefraktiven Effekt nachweisen

Der photorefraktive Effekt beschreibt eine lichtinduzierte, reversible Änderung des Brechungsindexes in einem Material. Das heißt, dass durch Beleuchtung des Materials mit einem Lichtmuster Ladungsträger in Bereichen mit hoher Lichtintensität angeregt werden. Diese werden dann durch Diffusions- oder Driftprozesse umverteilt, was zur Ausbildung eines Raumladungsfeldes führt. Durch den elektrooptischen Effekt wird dieses in die gewünschte Brechungsindexänderung übertragen. Ein photorefraktives Material muss eine Photoleitfähigkeit aufweisen und zudem noch elektrooptisch sein. Das Zweistrahlkopplungs-Experiment (s. Abb. 2) ist ein klassisches Verfahren zum Nachweis photorefraktiver Eigenschaften. Dabei wird das Material mit zwei interferierenden Laserstrahlen beleuchtet. An dem photorefraktiv erzeugten Brechungsindexgitter werden die einfallenden Lichtstrahlen gebeugt. Durch die Phasenverschiebung zwischen Interferenzmuster und Brechungsindexgitter findet durch konstruktive und destruktive Interferenz der beiden Strahlen ein asymmetrischer Energieaustauch zwischen beiden Strahlen statt, der einfach detektiert werden kann [5].

Literatur

[1] Köber, S.; Salvador, M. & Meerholz, K. “Organic Photorefractive Materials and Applications”, Adv. Mater. 23, 4725-4763, (2011).

[2] Qian, H.; Wang, Z.; Yue, W. & Zhu, D. “Exceptional Coupling of Tetrachloroperylene Bisimide: Combination of Ullmann Reaction and C--H Transformation”, J. Am. Chem. Soc. 129, 10664-10665, (2007).

[3] Ditte, K.; Jiang, W.; Schemme, T.; Denz, C. & Wang, Z. “Innovative Sensitizer DiPBI Outperforms PCBM“, Adv. Mater. 24, 2104-2108, (2012).

[4] Schemme, T.; Travkin, E.; Ditte, K.; Jiang, W.; Wang, Z. & Denz, C. “TPD doped polystyrene as charge transporter in DiPBI sensitized photorefractive composites”, Opt. Mater. Express, 2, 856-863, (2012).

[5] Yeh, P. “Two-Wave Mixing in Nonlinear Media” IEEE J. Quantum. Electron. 25, 97-132, (1989).

[6] Brabec, C. J.; Gowrisanker, S.; Halls, J. J. M.; Laird, D.; Jia, S. & Williams, S. P. ”Polymer–Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells”, Adv. Mater. 22, 3839-3856, (2010).

Danksagung: Für die Synthese, die Bereitstellung der Perylenbisimid-Derivate und die hervorragende Zusammenarbeit möchten wir uns bei Prof. Dr. Zhaohui Wang und Dr. Wei Jiang vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bedanken. Weiter bedanken wir uns für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereiches TRR 61 „Multilevel Molecular Assemblies: Structure, Dynamics and Function“.

* *T. Schemme, K. Ditte, Prof. Dr. C. Denz: Institut für Angewandte Physik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, E-Mail: t.schemme@uni-muenster.de

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