Universität zu Köln

Frohne, Holger (2004). Doping of Hole Conducting Polymers Utilized to Enhance Polymer Electronics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

For this thesis the system �poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) utilized as electrochemically adjusted anodic material for organic devices� has been studied in-depth. PEDOT films were polymerized electrochemically being subsequently adjusted to a certain electrochemical potential. Afterwards the resulting work function of the adjusted oxidation level was determined by Kelvin Probe measurements. This thesis provides unambiguous evidence that the work function of the PEDOT film surface is directly (linearly) correlated to the adjusted electrochemical potential. This finding has been utilized for optimising electronic properties of organic devices. Organic semiconducting polymeric devices of the general structure indium tin oxide (ITO) / electrochemically deposited and doped PEDOT / electroactive polymer / metal electrode have been prepared and characterized. By means of electrochemical doping the PEDOT layer was adjusted to a desired potential and its influence on the respective devices was studied. The adjusted doping level of the PEDOT layer could be directly correlated to its work function. This was demonstrated by Kelvin probe measurements above the semi-freestanding film and by photovoltaic measurements in the finished devices. Thereafter this discovery was utilized to optimise organic light emitting devices (OLED) by adjusting their hole injection barrier. This barrier is given by the difference in work function between the anodic contact (PEDOT) and the highest occupied molecular orbital (HOMO) level of the adjoining polymer film. If this barrier equals the barrier on the cathodic (metal) side of the device an optimized efficiency can be expected in zero order approximation. Experiments verified this assumption. If current contributions of holes and electrons are balanced, in principle each charge carrier could find an opposite charge and decay radiatively with the highest efficiency. Although this consideration neglects other influences like different charge carrier mobilities, it is of high interest to gain a possibility which enables current determination for both sorts of charge carriers rather than just the measurement of an overall current. This thesis presents an approach which enables the separation of electron and hole currents for OLED�s. The utilization of the results of hole only devices (electrons are blocked) allowed predictions about the ratio of current contributions in devices with hole and electron currents. These current contributions also confirmed enhanced efficiencies caused by tuned barriers. Investigations of up-to-date bulk-heterojunction solar cells (OSC) allowed a deeper insight in physical properties which govern these devices. By using a completely undoped PEDOT film the work function of the initial cathodic (metal) electrode could be passed and the PEDOT took over the cathodic function. Slightly doped PEDOT films could be adjusted to the same level as the metal contact causing zero-built-in-field devices. These investigations enabled a correlation between the anodic and cathodic energy levels and a rough estimation of the adjustable absolute range of PEDOT work functions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Optimierung organischer Elektronikbauteile durch gezielt dotierte lochleitende Polymere German
Translated abstract:	Abstract Language Im Rahmen dieser Arbeit wurde das System "PEDOT (poly(3,4-ethylendioxythiophen)) als elektrochemisch eingestelltes Anodenmaterial für organische Bauteile" eingehend untersucht. Zunächst wurden PEDOT Filme elektrochemisch polymerisiert, die dann in einem zweiten elektrochemischen Schritt auf ein elektrochemisches Potential eingestellt wurden. Die resultierende Austrittsarbeit des eingestellten Oxidationsgrades wurde dann mittels eines Kelvinschwingerexperiments gemessen. Diese Arbeit zeigt, dass es einen direkten (linearen) Zusammenhang zwischen dem eingestellten elektrochemischen Potential und der Austrittsarbeit der Oberfläche gibt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, diese Austrittsarbeitsänderungen zu nutzen, um die elektronischen Eigenschaften organischer Bauteile zu optimieren. Organische halbleitende Polymerbauteile der folgenden Struktur wurden daher präpariert: Indium-Zinn-Oxid (ITO) / elektrochemisch abgeschieden und dotiertes PEDOT / elektroaktives Polymer / Metallelektrode PEDOT diente in diesem Aufbau als Anodenmaterial und hat somit großen Einfluss auf die Injektion von Löchern. Der Dotierungsgrad (Oxidationsgrad) der PEDOT-Schicht wurde elektrochemisch eingestellt und der Einfluss auf die darauf aufgebauten elektronischen Bauteile untersucht. Photovoltaische Messungen an derartigen Bauteilen spiegeln die Austrittsarbeitsdifferenz zwischen den Elektrodenmaterialien wider. Auch die Ergebnisse dieser Messungen belegten den direkten (linearen) Zusammenhang zwischen dem eingestellten elektrochemischen Potential und der Austrittsarbeit. In einem nächsten Schritt wurde diese Entdeckung der quantitativ kontrollierten Einstellbarkeit der Austrittsarbeit verwendet, um organische Leuchtdioden (OLED) und organische Solarzellen (OSC) zu optimieren. Für OLED mit verschiedenen Kathodenmaterialien (z. B. Ca oder Al) konnten so die jeweils optimale Lochinjektionsbarriere (entsprechend dotiertes PEDOT) eingestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass aneinander angepasste Ladungsträgerbarrieren auf Kathoden- bzw. Anodenseite eine optimale Effizienz erzielen. Der Einsatz von Bauteilen, die ausschließlich einen Lochstrom erlauben (Elektronen werden durch hohe Injektionsbarrieren abgeblockt), erlaubte eine Aussage über die Stromzusammensetzung in Bauteilen, in denen beide Ladungsträgersorten zum Strom beitragen. Die Ermittlung der ladungsträgerspezifischen Stromzusammensetzung bestätigten verbesserte Effizienzen, die experimentell durch frei eingestellte Barrieren erzielt werden konnten. Die Variation der Austrittsarbeit der PEDOT-Schicht hat auch direkten Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der OSC. Da die Differenz der Austrittsarbeiten der jeweiligen Elektroden das energetische Gefälle im Bauteil bestimmt, verändern sich mit zunehmender PEDOT-Austrittsarbeit - also mit größer werdendem Energieunterschied der Elektroden - die Kurzschlussströme und Leerlaufspannungen zu höheren Werten. Es konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Wahl der Materialien die PEDOT-Schicht auch als Kathode fungieren kann. Das ist nämlich dann der Fall, wenn die Austrittsarbeit des PEDOT das Energieniveau des Kathodenkontakts unterschreitet. In dieser Arbeit wurden so erstmals "invertierte" Bauteile hergestellt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Frohne, Holger holger.frohne@newcastle.edu.au UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-10964
Date:	2004
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Physical Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Organische Leuchtdioden , Organische Solarzellen , Polymerelektronik , Austrittsarbeit German organic light emitting diode , organic solar cell , polymer electronics , work function English
Date of oral exam:	6 July 2003
Referee:	Name Academic Title Meerholz, Klaus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1096