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Photonische Materialien9. Vorlesung
• Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1)
•Lumineszenz-Label (1)•Supramolekulare und biologische Systeme (1)•Halbleiter Nanopartikel (2)•Quanten-Well-Strukturen (1) •Metallische Nanopartikel•Solarzellen (1)•Organische Leuchtdioden und Solarzellen (1)•Flüssige Kristalle (2)•Photonische Kristalle (1)•Optisch aktive Materialien (1).
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Dotierung von Si-Halbleitern
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Wirkungsweise: Bildung Grenzschicht
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Funktionsprinzip
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Strom-Spannungskennlinie
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Kristallines SiliziumSchneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)
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Polykristtalines Silizium
Erstarren von Siliziumschmelze
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Staebler-Wronski effect
Amorphes Silizium
a:Sia:SiH
Dangling Bonds:
-Hohe Ladungsbeweglichkeit-Photochemische Reaktion
-40 x höhere Absorption
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Theoretischer Wirkungsgrad
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Leistungsdaten Solarzelle
• Leerlaufspannung 0,5 V• Strom 2,5 A bei 1000 W/qm• Reihenschaltung
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Wirkungsgrade von Solarzellen
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Organische Halbleiter: Photodioden und Solarzellen
• Organische Materialien als Halbleiter• Organische Solarzellen
– Grätzelzelle– Photochromie– Löcherleitung– Organische Batterie
• Organische Fotodioden (OLEDS)
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Organische Halbleiter
• HOMO – LUMO• Leitfähigkeit• Bandlücke• Chemische Modifikationen• Leitfähige Polymere• Herstellungsprozess• Literatur: Wolfgang Brütting (Hrsg.)
Physics of Organic Semiconductors, ISBN 3-527-40550-X Wiley-VCH (2005)
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HOMO - LUMOHighest Occupied Molecular OrbitalLowest Unoccupied Molecular Orbital
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Optische Eigenschaften
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Elektron - Lochpaare
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Leitfähigkeit
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Leitfähigkeit
• π –Konjugation• Geringe Ladungsträgerkonzentration• Geringe Leitfähigkeit
Heeger, McDiarmid, Shirakawa : Nobelpreis Chemie 2000
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Ladungsträgererzeugung
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Konjugierte Systeme
PPV
Chelate
Polypyrrole
Aromatische Kohlenwasserstoffe
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Konjugierte Polymere
Polypyprol (PPyr)
Polythiophen
Polyacetylen
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Organische Solarzelle
• Materialien• Ladungstransfer• Rekombinationskinetik• Kontakte• Stabilität
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Schichtstruktur einer organischen Solarzelle. Zn-Phthalocyanin dient als Donator,C60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen.
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Donor-Akzeptor Systeme
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Organische Solarzelle
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Konjugierte Polymere
Polypyprol (PPyr)
Polythiophen
Polyacetylen
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Komposite
Querschnitt durch eine organischeSolarzelle. Die idealisierte Skizze zeigt denNanokomposit aus den organischen Halbleitern.
Kathode
Transparente Anode
Akzeptor
Donor
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Herstellungstechniken
• MBE• Spin Coating• Rakel (Rasor Blade) Technik (für Polymere)
• Lithographische Strukturierung
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Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)
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Molekulare Epitaxie
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Spin- Coating
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Amorphe Dünnschichtsysteme
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Spin Coater
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Lithographie
Buried-contact organic solar cells(SEM-images of crossections):a) Substrate with evaporated electrodes, b) Cavities filled with active polymer,coated with PEDOT and an Au-electrode.
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Cell-concepts of organic solar cells:a) Light trapping with diffraction gratings, b) buried nano-electrodes
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Verteilung optisches Feld
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Tandem Zellen
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Grätzel Zelle
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Grätzel
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2 Fs* + 2 TiO2 → 2 Fs+ + 2 (TiO2 + e-)
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Löcherleitung
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Photochromie
Photoelektrochromic cell with solid electrolyte in the bleached state and coloured
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Organische Batterie
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Elektrolumineszenz
• Polymere : Friend 1990 PPV
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OLED: Organic Light EmittingDiode
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Konjugierte Polymere
• PPV (erstes Material, aus dem OLEDshergestellt wurden).
• Emissionsmaximum PPV: 551 und 520 nm (grün).
• Polypyrrol (PPy) • Polyfluoren (PF) • Polythiophen (PT).
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Interface
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Energiediagramm
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ITO/PPV/MEH-CN-PPV/Al
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OLED - Materialien
• Kleine Moleküle• Elektrolumineszenz Polymere• Phosphoreszenz• Patterning
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Kleine Moleküle
Al q3
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Hole Injection Hole conduction
Electron conduction
Hole Blocking
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Konjugierte Polymere
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Alq3
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Anforderungen
• Leitfähigkeit• Chromophor
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Leitfähige Polymere
• Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-tetramethacrylate or PEDOT-TMA
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Chromophore Polymere
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Kombinierte Dioden
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blau
grün
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Vorteile von OLEDs
· Hohe Helligkeit bei starkem KontrastKeine Hintergrundbeleuchtung
· Keine Blickwinkelabhängigkeit· Videotauglichkeit· Weiter Temperaturbereich· Vollfarbdisplays und flexible Displays möglich· Niedriges Gewicht· Kompakte, extrem dünne Bauweise· Niedrige Herstellkosten
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