Untersuchung lichtinduzierter Dynamiken in konjugierten ...

1 Einleitung
Ein zentraler Aspekt der Umwandlung von Licht in elektrische Energie in organischen Halb-
leitern ist die Dissoziation eines Exzitons in freie Ladungsträger. Während in herkömmlichen,
anorganischen Siliziumsolarzellen dieser Prozess bei entsprechender Dotierung freiwillig und
instantan abläuft, ist in den klassischen organischen Halbleitermaterialien eine zusätzliche
Triebkraft nötig.[3] Unter Laboratoriumsbedingungen kann dies einfach durch das Anlegen
eines äußeren elektrischen Feldes erfolgen, was jedoch im Falle einer breiten Anwendung un-
ter reellen Bedingungen unzweckmäßig ist. Eine etablierte Strategie zur Überwindung dieses
Nachteils ist die Mischung des Polymers mit starken Elektronenakzeptoren zu sogenannten
” Blends“.[4, 5] Als Elektronenakzeptoren werden in der Regel Fullerenderivate verwendet, da
ihre Redoxeigenschaften durch Modifikation der Leitstruktur einstellbar sind und diese Syste-
me bis zu sechs Elektronen aufnehmen können.[6] Befindet sich in einem solchen ” Blend“ ein
Exziton in direkter Nachbarschaft zu einem Fulleren, so kann es durch Elektronentransfer über
die Phasengrenze hinweg relativ einfach zur Bildung freier Ladungsträger kommen.
So einfach dieser Ansatz konzeptionell ist, so ist es doch schwierig, einen hinreichend großen
Wirkungsgrad zu erzielen, um mit handelsüblichen Siliziumsolarzellen konkurieren zu können.
Die zentrale Schwäche dieses Ansatzes offenbart sich bei der Betrachtung des ” Blends“ auf
einer mikroskopischen Skala. Bedingt durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaf-
ten, kommt es zur Entmischung des Polymers und des Fullerens. Ein im Inneren eines Po-
lymerclusters erzeugtes Exziton muss nun bis zu einer Grenzfläche diffundieren, bis es dort
in freie Ladungsträger dissoziieren kann. Das Diffusionsvermögen eines Exzitons hängt dabei
sowohl von der Strukturierung der Polymerphase auf molekularer Ebene, als auch von der
Lebensdauer des Exzitons ab, da sich eine definierte Anordnung der Polymermoleküle posi-
tiv auf die Effizienz von intramolekularem Energietransfer auswirkt.[5, 7] Hier stellt Förster-
Resonanz-Energietransfer (FRET) den dominanten Energietransferprozess dar, wobei es sich
um eine Wechselwirkung der Übergangsdipolmomente zweier Chromophore handelt. Dadurch
kann es zu einem strahlungslosen Energietransfer über Distanzen von einigen wenigen Nano-
metern kommen.[8] Durch eine sukzessive Abfolge solcher Prozesse in einem polymeren Mul-
tichromophorsystem können theoretisch auch Distanzen im zwei- bis dreistelligen nm-Bereich
überbrückt werden, was jedoch meist an der mangelnden Ordnung in solchen Systemen schei-
tert. Durch Tempern des Polymerfilms können große geordnete, quasi zweidimensional peri-
odische Bereiche erzeugt werden,[9, 10] was die Diffusionslänge der Exzitonen erhöht. Dagegen
hat der Chemiker auf die Exzitonenlebensdauer nur einen geringen Einfluss. Diese liegt für die
meisten relevanten Chromophore im Bereich weniger Nanosekunden.[11]
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