Elektrostatik reicht schon
Einfaches Modell beschreibt, was zwischen organischen Halbleitern und Metallen geschieht und wie sich Verluste minimieren lassen
Eine ultradünne dielektrische Schicht kann den Übergang der Ladungsträger (hier rote „Löcher“) vom organischen Halbleiter in das Metall erleichtern. Sie schafft eine kontinuierliche Verbindung zwischen den Energieniveaus im organischen Material (blau) und im Metall (schwarz, Fermi-level). Dadurch gelingt ein guter elektrischer Kontakt. Bild: M. Oehzelt/HZB
Organische Halbleiter ermöglichen flexible, biegsame Bildschirme (OLEDs), Solarzellen (OPVCs) und andere interessante Anwendungen. Ein Problem dabei ist aber die Grenzfläche zwischen den metallischen Kontakten und dem organischen Halbleitermaterial, an der unerwünschte Verluste auftreten. Nun hat Dr. Martin Oehzelt gezeigt, worauf es ankommt, wenn diese Verluste zwischen Metall und organischem Halbleiter minimiert werden sollen. Insbesondere erklärt sein Modell auch, warum eine dünne, elektrisch isolierende Schicht zwischen den beiden Materialien den Übergang von Ladungsträgern sogar erleichtern kann. Seine Ergebnisse sind nun in Nature Communications veröffentlicht.
Aktuell gibt es viele unterschiedliche Ansätze, um diesen Übergang zwischen organischen Halbleitermaterialien und den metallischen Kontakten zu beschreiben. Diese teilweise widersprüchlichen Theorien, von denen aber keine in vollem Umfang für alle Fälle gültig ist, hat Oehzelt nun vereinheitlicht und ein universelles Modell entwickelt, das vor allem auf dem elektrostatischen Potential basiert, das von den Ladungsträgern im Metall und im organischen Halbleiter hervorgerufen wird. „Ich habe die Auswirkungen der Ladungsträgerverteilung auf die elektronischen Zustände an der Grenzfläche berechnet und wie diese Veränderung auf die Ladungsträgerverteilung zurückwirkt“, erklärt er. Oehzelt forscht zurzeit als Postdoktorand mit Dr. Georg Heimel bei Prof. Dr. Norbert Koch, die an der Humboldt-Universität zu Berlin und am Helmholtz-Zentrum Berlin arbeiten.
Solche Berechnungen hatte bislang vor Martin Oehzelt noch niemand so konsequent durchgeführt. Dabei stellte Oehzelt fest: „Für mich war überraschend, dass hier die quantenphysikalische Ebene gar nicht so stark in Erscheinung tritt. Die elektrostatischen Effekte überwiegen! Das sehen wir auch daran, wie gut das Modell zu Messergebnissen passt.“ Am Beispiel von Pentazen, einem gebräuchlichen organischen Halbleiter, hat Oehzelt die Vorhersagen des Modells zu den Grenzflächenverlusten quantitativ überprüft.
Dabei entscheidet die Energieverteilung der elektronischen Zustände im organischen Halbleiter darüber, welche Mindestbarriere die Ladungsträger beim Übergang vom oder in das Metall überwinden müssen. Die Berechnung zeigt, dass auch die Form dieser Energiebarrieren dabei variieren kann, von einer Stufe bis hin zu langsam und kontinuierlich ansteigenden Kurven, die zu wesentlich weniger Verlusten führen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man zwischen dem organischen Halbleiter und dem Metall eine hauchdünne isolierende Schicht einfügt. Entgegen der allgemeinen Erwartung wird also durch Einfügen eines Isolators der elektrische Kontakt verbessert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten es deutlich erleichtern, Grenzflächen und Kontakte zu optimieren und damit effizientere organische Halbleiterbauelemente zu entwickeln.
Die Arbeit ist nun in Nature Communications veröffentlicht.
doi 10.1038/ncomms5174
Mehr Informationen:
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Forschergruppe Molekulare Systeme
Dr. Martin Oehzelt
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E-Mail: martin.oehzelt@helmholtz-berlin.de
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