Ein internationales Forschungsteam konnte an der hellen Röntgenquelle PETRA III live beobachten, welch gravierenden Einfluss das Umgebungslicht auf die Herstellung von organischen Halbleitern ausübt. Die Gruppe unter Leitung von Forschern der Technischen Universität Dänemark kombinierte verschiedene Beobachtungsverfahren und fand heraus, dass sich die Halbleiter beim Beschichtungsprozess unter Rotlicht oder in Dunkelheit beim Beschichtungsprozess deutlich anders verhalten, als wenn dieser Prozess bei Licht unterhalb einer gewissen Wellenlänge stattfindet, wie sie in der jüngsten Ausgabe von Advanced Functional Materials schreibt. Die Experimente zeigen eine Möglichkeit, die Morphologie von organischen Halbleiter-Bauteilen bei ihrer Herstellung mit Hilfe von sichtbarem Licht zu steuern.

Organische Halbleiter haben das Potenzial, ihre Silizium-Vorgänger bei vielen Anwendungen abzulösen. Bereits heute werden organische LEDs (OLED) serienmäßig in Monitoren verbaut, und organische Solarzellen haben bereits ähnliche Wirkungsgrade wie ihre konventionellen Brüder. Allerdings sind die Herstellungsverfahren beispielsweise von Solarzellen, bei denen solche Wirkungsgrade erzielt werden, noch nicht massenkompatibel. Daher stehen ihre weitere Erforschung und Entwicklung weit oben auf der Agenda der Forschenden.

Das dänisch-deutsche Forschungsteam hat jetzt den Herstellungsprozess eines typischen organischen Halbleiters (Poly(3-Hexylthiophen) oder P3HT), der beispielsweise für flexible Solarzellen und organische Elektronik verwendet wird, genauer unter die Lupe genommen. Hierbei wird das photoaktive Material direkt auf einer Polymerfolie gedruckt, welche sich wie auf einem Fließband unter dem Druckkopf bewegen lässt. Dieser als Roll-to-Roll Printing bezeichnete Prozess ist industriell einsetzbar und ermöglicht eine Erhöhung der Produktivität bei Verringerung der Kosten. Während der Produktion der aktiven Schicht regten die Wissenschaftler das Halbleiterpolymer an, indem sie sichtbares Licht verschiedener Wellenlängen einstrahlten. Dabei konnte das Team live beobachten, wie die farbliche Beleuchtungssituation die Entstehung der halbleitenden Domänen des Polymers veränderte: Während sich ohne Beleuchtung oder unter rotem Licht eine höhere Ordnung der Polymerketten einstellte, war die Struktur bei Beleuchtung unter grünem oder blauem Licht sehr viel weniger geordnet. Letzteres behindert einen hohen Elektronenfluss und erzeugt damit ein eher schlechtes Halbleitermaterial.

Die Forschenden konnten an der PETRA III-Strahlführung P03 beobachten, wie die Polymerketten in einer Lösung sehr schnell beginnen, sich zu „sortieren“ und geordnete Domänen zu bilden, wenn sie im Dunkeln sind oder mit rotem Licht beleuchtet werden. Bei Beleuchtung unter grünem oder blauem Licht versteiften sich die Polymerketten hingegen, angeregt vom Licht. Dies behindert eine Entstehung von Domänen oder bricht bestehende Ordnungen sogar auf. Die Beobachtungen während des Roll-to-Roll-Drucks bestätigten dies: das Ergebnis sind weniger geordnete und unterschiedlich strukturierte Filme, wenn die aktive Schicht unter grünem oder blauem Licht aufgetragen wird. Dies wirkt sich auf die Leitungseigenschaften des Materials aus, die sich als Veränderungen der Ladungsmobilität entlang verschiedener Richtungen in der Folie zeigen.

Die Forschenden erklären das Ergebnis damit, dass grünes oder noch kurzwelligeres Licht das Polymer derart anregt, dass es bei der Herstellung anders mit dem Lösungsmittel wechselwirkt und sich daher während des Trocknungsprozesses nicht so frei bewegen und zu Domänen anordnen kann. Diese Hypothese wird durch theoretische Simulationen und durch Messungen mit Neutronen und Terahertz-Spektroskopie gestützt. „Unser Ergebnis zeigt ein ganzheitliches Bild der Produktion des organischen Halbleiters, von der Demonstration der Anwendung unserer Methode bis hin zu einem grundlegenden Verständnis der Veränderungen der Morphologie und der physikalischen Eigenschaften die durch die Anregung von P3HT während der Beschichtung“, sagt der Leiter der Untersuchungen Jens Wenzel Andreasen von der Technischen Universität Dänemark.

„Wir können zeigen, dass durch sichtbares Licht organische Halbleiter in einem angeregten Zustand andere Anordnungen der Moleküle bevorzugen und somit die Morphologie manipulierbar wird“, ergänzt Matthias Schwartzkopf von der PETRA III-Strahlführung P03, die darauf spezialisiert ist, Beschichtungsprozesse organischer Elektronik live zu verfolgen. „Das könnte in Zukunft bei Prozessierung von Solarzellen und organischer Elektronik eine Rolle spielen. Beispielsweise könnte eine Prozessierung unter Verwendung von rotem Licht ähnlich wie in der traditionellen Fotoentwicklung – je nach Verhalten des verwendeten Materials – vorteilhaft sein.“

 

Originalveröffentlichung
Manipulating Organic Semiconductor Morphology with Visible Light; Sørensen, M. K., Gertsen, A. S., Fornari, R. P., Zhou, B., Zhang, X., Jepsen, P. U., Stanzani, E., Yun, S., Fernández Castro, M., Schwartzkopf, M., Koutsioubas, A., de Silva, P., Espindola-Rodriguez, M., Kuhn, L. T., Andreasen, J. W., Adv. Funct. Mater. 2023, 2212835. DOI: 10.1002/adfm.202212835