University of Groningen
Photophysics of nanomaterials for opto-electronic applications
Kahmann, Simon
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from
it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Kahmann, S. (2018). Photophysics of nanomaterials for opto-electronic applications. Rijksuniversiteit
Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Sammenvatting
Vaste stoffen die bestaan uit nanomaterialen of zwak gebonden moleculen en polymeerketens zijn interessante kandidaten voor opto-elektronische toepassingen zoals zonnecellen, fotode-tectoren of licht-emitterende apparaten. In dit proefschrift is de interactie van deze materia-len met licht onderzocht door middel van optische spectroscopie voor een verscheidenheid aan problemen. De belangrijkste technieken hierbij zijn fotoluminescentie- en fotogeïnduceerde absorptiespectroscopie (PIA). Voor de laatste techniek werd gebruik gemaakt van een FTIR spec-trometer om signalen in het middel-infrarood spectrum te kunnen bestuderen.
In Hoofdstuk 4 zijn de fotogeïnduceerde absorptiespectra van twee vergelijkbare polymeren en mengsels van deze polymeren met de elektronenacceptor PCBM onderzocht. Alle geobserveerde karakteristieken in vaste toestand kunnen worden toegewezen aan positieve polaronen die zich op de polymeerketens bevinden. Deze bevindingen worden ondersteund door dichtheidsfuncti-onaaltheorieberekeningen. De theorie over polaronen in eenvoudige homopolymeren is ge-bruikt om de meeste observaties te kunnen verklaren en de beperkingen van deze theorie zijn geïdentificeerd. Hierbij gaat het om twee verschillende polarontransities in de NIR regio die vol-gen uit de experimentele en theoretische spectra maar die niet worden beschreven in de klas-sieke theorie.
Een ternair organisch mengsel bestaande uit de elektronenacceptor PC70BM en twee donoren,
PTB7-th (een D-A polymeer met een smalle bandkloof ) en PDCBT (een eenvoudige polythi-ofeen), stelt ons in staat om zonnecellen te maken met efficiënties hoger dan 10%.
Hoofd-stuk 5 beschrijft het gebruik van optische spectroscopie om de interactie tussen deze
compo-nenten te ontrafelen. Fotogeïnduceerde absorptiespectroscopie toont aan dat het transport van elektronengaten via de PTB7-th polymeerfase plaatsvindt in plaats van via de polythiofeenfase, ondanks dat de eerste een lager liggend HOMO-niveau heeft. We observeren een ultrasnelle energie-uitwisseling tussen de twee goed gemengde polymeren en dit gebruiken we om de ver-beterde prestaties van ternaire zonnecellen te kunnen verklaren.
De interactie van polymeer-omwikkelde halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen in de aangeslagen toestand is onderzocht in Hoofdstuk 6. Het blijkt dat excitatie door middel van licht leidt tot de formatie van vrije ladingsdragers op de nanobuizen, getuige de lang aanhoudende fotogeïnduceerde absorptie en -blekingsbanden. De inzichten die we hebben verkregen over
130 P HO T OP H YS IC S OF NAN OM A TE R IALS F OR OPT O-EL ECTR ON IC S
de MIR-karakteristieken van het polaron in het polymeer gebruiken we om aan te tonen dat de formatie van ladingsdragers ook plaatsvindt op de polymeerketens die zich om de nanobui-zen bevinden. Het is opmerkelijk dat dit ook waargenomen is voor excitatie-energieën die lager zijn dan de bandkloof van het polymeer. Kwantumchemische berekeningen ondersteunen onze verklaring dat dit fenomeen wordt veroorzaakt door de hybride aard van de elektronische toe-standen in dit materiaal.
Polymeren met een smalle bandkloof complementeren de absorptie van loodsulfide colloïdale quantum dots, wat het mogelijk maakt om een groter bereik van het zonnespectrum te kunnen absorberen met zonnecellen. Het onderzoek naar hun aangeslagen toestanden met behulp van fotoluminescentie- en tijdsafhankelijke absorptiespectroscopie zoals beschreven in Hoofdstuk 5 toont aan dat ladingsoverdracht van het D-A polymeer naar PbS energetisch gunstig is. Dit geldt overigens alleen als het oppervlak van laatstgenoemde bedekt is door korte liganden. Ondanks deze veelbelovende ontdekking presteerden de zonnecellen gemaakt van deze materialen matig en werd het ladingstransport belemmert door de slechte morfologie.
De ladingsvallen op het oppervlak van PbS colloïdale quantum dots zijn onderzocht in
Hoofd-stuk 8. Door gebruik te maken van de MIR PIA-opstelling kunnen processen die plaatsvinden
bij lagere energie worden bestudeerd. Hierbij kunnen twee verschillende distributies van la-dingsvallen voor CQDs van verscheidene groottes worden onderscheiden. Deze lala-dingsvallen verplaatsen zich dieper in de bandkloof bij kleinere deeltjes maar hun positie is onafhankelijk van de liganden aan het oppervlak. Het soort ligand bepaalt slechts de mate van re-excitatie van ladingsval naar energieband, oftewel de dichtheid van de ladingsvallen. De brede absorp-tiebanden hebben een wisselwerking met de nauwe vibraabsorp-tiebanden van de liganden aan de op-pervlakte, wat leidt tot Fano-resonanties. De PIA -techniek functioneert dus niet alleen als een manier om de mate van passivatie van ladingsvallen aan het oppervlak te bepalen, maar kan ook worden gebruikt om de gecompliceerde wisselwerking tussen de CQD’s en de moleculen aan hun oppervlak te bestuderen.
Translated by B. Groeneveld Simon Kahmann 131 SAMM E NV A T T IN G
