11. Dissoziation angeregter Zustände

Themen: Erzeugung angeregter Zustände; Erzeugung von Ladungsträgerpaaren; Eigenschaften von Ladungsträgerpaaren; Dissoziation von Ladungsträgerpaaren
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Zentrale Aspekte

Angeregte Zustände können unterschiedlich entstehen:
optisch, elektrisch und durch sekundäre Prozesse.
Optische Anregung liefert fast nur Singulett-Zustände,
elektrische Anregung folgt der Spinstatistik (S:T = 1:3).
Dissoziation angeregter Zustände in Ladungsträgerpaare
ist ein Schlüsselprozess in der Photovoltaik.
Donator–Akzeptor-Systeme erlauben effiziente
Ladungstrennung in organischen Halbleitern.
Dissoziation der Ladungsträgerpaare erfordert das
Überkommen der Coulomb-Wechselwirkung.

Fragen zum Verständnis

Die nachfolgenden Fragen sollten sich mit den in der Vorlesung vermittelten Inhalten beantworten lassen und diesen der eigenständigen Nacharbeit bzw. Beschäftigung mit der Thematik.

Welche Entstehungswege gibt es für angeregte Zustände in organischen Halbleitern? Wie lassen sich die beteiligten Prozesse untergliedern?
Welche drei unterschiedlichen Situationen lassen sich für die Eigenschaften von Ladungsträgerpaaren unterscheiden? Wodurch sind sie jeweils charakterisiert?
Warum sind Donator-Akzeptor-Systeme für die effiziente Ladungstrennung, z.B. in organischen Solarzellen, so wichtig? Wie unterscheiden sich diesbezüglich anorganische und organische Halbleiter? Was ist die kritische Materialkonstante?
Von welchen Grundannahmen geht das Onsager-Modell für die Dissoziation von Ladungsträgerpaaren aus? Welche Einschränkungen bzgl. der Beschreibung der Situation in realen organischen Halbleitern bringt es mit sich?

Prozesse in organischen photovoltaischen Materialien

Abbildung 2: **Schematische Übersicht über die Prozesse in organischen Leuchtdioden nach Ladungsinjektion.** Ladungsinjektion führt zu Ladungsträngern („Polarons“), die durch den Halbleiter wandern, bis sie sich treffen. Wenn sich die entgegengesetzt geladenen Polaronen an der Schnittstelle Donator- und Akzeptor-Phase treffen, kommt es zunächst zur Ausbildung eines Ladungstransferkomplexes („charge transfer complex“, CTC) und anschließend zur Rekombination („Exciton“), das dann schließlich unter Aussendung eines Photons (hv) rekombiniert.

Weiterführende Literatur

Eine kommentierte und handverlesene Liste mit weiterführender Literatur zum Thema. Die Auswahl ist zwangsläufig subjektiv.

Die beiden in der Vorlesung erwähnten Artikel, die jeweils die Rolle der Anpassung der Energieniveaus und der Morphologie für die Effizienz organischer Solarzellen herausstellen, sind [Scharber, 2006Scharber, Markus C.; Mühlbacher, David; Koppe, Markus; Denk, Patrick; Waldauf, Christoph; Heeger, Alan J.; Brabec, Christoph J. (2006): Design rules for donors in bulk-heterojunction solar cells—towards 10%; energy-conversion efficiency, Advanced Materials 18:789-794] und [Jackson, 2015Jackson, Nicholas E.; Savoie, Brett M.; Marks, Tobin J.; Chen, Lin X.; Ratner, Mark A. (2015): The next breakthrough for organic photovoltaics?, Journal of Physical Chemistry Letters 6:77-84].

Jackson, Nicholas E.; Savoie, Brett M.; Marks, Tobin J.; Chen, Lin X.; Ratner, Mark A. (2015): The next breakthrough for organic photovoltaics?, Journal of Physical Chemistry Letters 6:77-84
Scharber, Markus C.; Mühlbacher, David; Koppe, Markus; Denk, Patrick; Waldauf, Christoph; Heeger, Alan J.; Brabec, Christoph J. (2006): Design rules for donors in bulk-heterojunction solar cells—towards 10%; energy-conversion efficiency, Advanced Materials 18:789-794