Was sind organische Halbleiter? Materialien, Bauelemente und Anwendungen.

1. Was sind organische Halbleiter?

Organische Halbleiter sind kohlenstoffbasierte elektronische Materialien, die aus konjugierten Polymeren und kleinen Molekülen hergestellt werden. Sie werden zum Bau organischer elektronischer Bauelemente wie organischen Solarzellen, OLEDs und organischen Feldeffekttransistoren verwendet. Im Gegensatz zu kristallinen anorganischen Halbleitern wie Silizium oder III-V-Verbindungen sind organische Halbleiter in der Regel strukturell und energetisch ungeordnete molekulare Systeme und keine periodischen Festkörper (siehe ??).

Das bedeutet, dass organische Halbleiter nicht als minderwertige Versionen von Silizium behandelt werden sollten. Sie stellen eine andere Halbleiterklasse dar. Ihr elektronisches Verhalten wird durch lokalisierte molekulare Zustände, energetische Unordnung, die Besetzung von Fallenstellen, die Bildung von Exzitonen und die Nanostruktur bestimmt. Diese Eigenschaften machen die organische Elektronik technologisch attraktiv, führen aber auch dazu, dass die Modellierung von organischen Halbleiterbauelementen sich physikalisch von der Simulation konventioneller kristalliner Halbleiter unterscheidet.

2. Inwiefern unterscheiden sich organische Halbleiter von anorganischen Halbleitern?

In kristallinen Halbleitern sind die Atome in einem periodischen Gitter angeordnet, und die Ladungsträger lassen sich häufig mithilfe von erweiterten Bandzuständen beschreiben. Dies führt zu relativ klar definierten Leit- und Valenzbändern, wie in ?? dargestellt. In organischen Halbleitern ist die molekulare Anordnung weniger geordnet, und die lokale elektronische Umgebung variiert von Ort zu Ort. Das Ergebnis ist eine breite Dichte lokalisierter Zustände anstelle einer scharfen Bandkante (??).

Der Ladungstransport in organischen Materialien wird daher oft als thermisch aktivierter, sprunghafter Übergang zwischen lokalisierten Zuständen beschrieben, anstatt als bandartiger Transport durch ausgedehnte Zustände. Ladungsträger können in Zuständen niedriger Energie gefangen werden, später durch thermische Aktivierung freigesetzt und an anderer Stelle erneut eingefangen werden. Dies führt dazu, dass die scheinbare Beweglichkeit stark von der Temperatur, der Ladungsträgerdichte, dem elektrischen Feld, der energetischen Unordnung und der Besetzung von Fallen abhängt.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied liegt in der Exzitonenphysik. In vielen organischen optoelektronischen Materialien führt die optische Absorption zur Bildung von gebundenen Elektron-Loch-Paaren, den sogenannten Exzitonen, anstatt sofort freie Ladungsträger zu erzeugen. Ob ein absorbiertes Photon einen nützlichen elektrischen Strom erzeugt, hängt von der Exzitonenstreuung, -dissoziation, -rekombination und der nanostrukturellen Anordnung von Donor- und Akzeptormaterialien ab.

3. Organische Halbleitermaterialien: Polymere und kleine Moleküle

Organische Halbleitermaterialien werden üblicherweise in zwei Hauptkategorien unterteilt: konjugierte Polymere und kleine Moleküle. Polymere bestehen aus langen Molekülketten mit delokalisierten \(\pi\)-Elektronensystemen entlang der Hauptkette, während kleine Moleküle niedrigmolekulare Verbindungen sind, die so konzipiert sind, dass sie geeignete Energieniveaus der äußersten Molekülorbitale, Absorptionsspektren und Packungseigenschaften aufweisen.

Der Vorteil dieser chemischen Flexibilität besteht darin, dass die optische Bandlücke, die Energieniveaus, die Löslichkeit, die Kristallinität und die Morphologie durch molekulares Design gezielt verändert werden können. Dies ist einer der Gründe, warum organische Materialien für Photovoltaik, Lichtemission, Sensoren und flexible Elektronik interessant sind. Der Nachteil ist, dass das Verhalten der Bauelemente äußerst empfindlich auf die Verarbeitungsbedingungen, die Phasentrennung, die molekulare Ausrichtung und die Grenzflächenstruktur reagieren kann.

4. Organische elektronische Bauelemente

Organische Halbleiter werden in verschiedenen wichtigen Klassen von organischen elektronischen und optoelektronischen Bauelementen eingesetzt. In jedem Fall wird das Verhalten des Bauelements nicht nur durch die elektronischen Eigenschaften des Materials bestimmt, sondern auch durch die optische Absorption, die Morphologie, die Grenzflächen, die Kontakte und die Rekombination.

• Organische Photovoltaikzellen (OPV) wandeln absorbiertes Licht in elektrischen Strom um. In der Regel nutzen sie Donator-Akzeptor-Heteroübergänge, um Exzitonen in freie Ladungsträger aufzuspalten. Ein praktisches Beispiel von OghmaNano finden Sie in der Anleitung zur Simulation organischer Solarzellen.
• Organische Leuchtdioden (OLEDs) injizieren Elektronen und Löcher in organische Schichten, wo sie rekombinieren und angeregte Zustände bilden, die Licht emittieren. Optische Interferenz, die Position der Rekombinationszone und die Lichtauskopplung können die endgültige Emission stark beeinflussen. Weitere Informationen finden Sie im Tutorial zu kohärenter Dünnschichtoptik von OLEDs.
• Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) nutzen ein Gate-Feld, um Ladung an der Grenzfläche zwischen einem organischen Halbleiter und einem anderen Material anzureichern. Ihre Ausgangsleistung wird durch den Kontaktinjektionsprozess, die Beweglichkeit der Ladungsträger, die Ordnung der Grenzfläche und den durch Fallen eingeschränkten Ladungstransport beeinflusst. Weitere Informationen finden Sie im OFET-Simulations-Tutorial.

5. Warum die Modellierung organischer Halbleiter anders ist

Bei der Simulation organischer Halbleiter müssen Unordnung und Defektzustände explizit berücksichtigt werden. Ein einfaches Drift-Diffusions-Modell mit konstanter Beweglichkeit und Band-zu-Band-Rekombination ist oft nicht ausreichend, da Trägerdichte, Beweglichkeit, Rekombination und internes elektrisches Feld durch die Zustandsdichte und die Besetzung der Defektzustände miteinander gekoppelt sind.

Beispielsweise führt eine Änderung der Lichtintensität oder der angelegten Spannung zu einer Veränderung der Ladungsträgerkonzentration in den Fallen. Die Veränderung der Ladungsträgerkonzentration in den Fallen beeinflusst die Rekombination und die Leitfähigkeit. Die daraus resultierende Veränderung der Ladungsverteilung modifiziert dann das interne elektrische Feld und die Ladungsträgerentnahme. Dieser Rückkopplungseffekt ist einer der Gründe, warum organische Bauelementmodelle die Physik der Fallen berücksichtigen müssen.

Rekombination erfolgt häufig unter Beteiligung von Defektzentren und wird üblicherweise mithilfe der Shockley-Read-Hall-Rekombination beschrieben. Bei ungeordneten organischen Halbleitern stellen SRH-Modelle nicht nur eine geringfügige Korrektur dar, sondern sind oft unerlässlich, um die Anregung, Emission und Rekombination von Ladungsträgern über lokalisierte Zustände zu beschreiben. Aus diesem Grund ist die Simulation organischer Bauelemente am besten als gekoppelte Beschreibung von Transport, Anregung, Rekombination und Elektrostatik zu verstehen und nicht als einfache Berechnung des Stromflusses.

6. Vorteile von organischen Halbleitern

Organische Halbleiter sind attraktiv, da sie auf eine Weise verarbeitet werden können, die bei herkömmlichen anorganischen Halbleitern schwierig oder kostspielig wäre. Viele organische Materialien können bei niedrigen Temperaturen aufgetragen, aus Lösungen verarbeitet, über große Flächen aufgedruckt und auf leichte oder flexible Trägermaterialien integriert werden.

Diese Eigenschaften machen sie für Anwendungen interessant, bei denen mechanische Flexibilität, die Herstellung bei niedrigen Temperaturen, die Beschichtung großer Flächen oder die spektrale Abstimmbarkeit wichtiger sind als die Erzielung der höchstmöglichen Ladungsträgermobilität. OLED-Displays sind das bekannteste kommerzielle Beispiel, aber organische Halbleiter bleiben auch für die Photovoltaik, Photodetektoren, Sensoren, tragbare Geräte und kostengünstige Elektronik von großer Bedeutung.

7. Einschränkungen und Herausforderungen

Die gleiche Eigenschaft, die eine flexible Verarbeitung ermöglicht, führt auch zu Einschränkungen. Organische Halbleiter weisen in der Regel eine geringere Beweglichkeit auf als kristalline anorganische Materialien, außerdem sind sie anfälliger für Fallenbildung und empfindlicher gegenüber der Morphologie. Auch die Stabilität kann ein großes Problem darstellen, insbesondere bei Einwirkung von Sauerstoff, Feuchtigkeit, Hitze, hoher Stromdichte oder längerer Beleuchtung.

Die Grenzflächen sind besonders wichtig. Die Kontaktselektivität, die Bildung von Sperrschichten, die Anwesenheit von Grenzflächenfallen und die Morphologie in der Nähe der Elektroden können das Verhalten des Bauelements maßgeblich beeinflussen. Aus diesem Grund entspricht die gemessene Leistung eines organischen Bauelements oft nicht nur einer Eigenschaft des aktiven Materials, sondern auch der gesamten Bauelementstruktur, der Verarbeitungshistorie und den Messbedingungen.

8. In welchen Bereichen organische Halbleiter sich durchsetzen könnten

Es ist unwahrscheinlich, dass organische Halbleiter kristallines Silizium in allen Anwendungsbereichen vollständig ersetzen werden. Silizium bleibt führend, wenn hohe Beweglichkeit, langfristige Stabilität und ausgereifte, großvolumige Fertigungsprozesse entscheidend sind. Organische Materialien werden eher dann zum Einsatz kommen, wenn ihre besonderen Eigenschaften von Bedeutung sind: mechanische Flexibilität, Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen, leichte Geräte, einstellbare Absorption oder Emission sowie Kompatibilität mit der Fertigung großer Flächen.

OLED-Displays zeigen, dass organische Halbleiter eine führende Rolle spielen können, wenn die Gerätephysik, die Materialentwicklung und der Herstellungsprozess optimal aufeinander abgestimmt sind. Zukünftige Anwendungsbereiche umfassen flexible Photovoltaik, Energiegewinnung in Innenräumen, organische Photodetektoren, biomedizinische Sensoren, tragbare Elektronik und Hybridsysteme, bei denen organische Materialien mit anorganischen oder Perowskit-Technologien kombiniert werden.

9. Simulation organischer Halbleiter in OghmaNano

OghmaNano wurde entwickelt, um organische Halbleiterbauelemente als gekoppelte optische, elektrische und morphologische Systeme zu simulieren. Es umfasst Drift-Diffusions-Transport, Verteilungen von Fallenladungszuständen, SRH- und Nichtgleichgewichts-Rekombination, Exitonendynamik, optische Erzeugung und Frequenzbereichscharakterisierung in einem einzigen Arbeitsablauf.

Eine praktische Übersicht über die verfügbaren Tutorials finden Sie unter Simulation organischer Halbleiterbauelemente. Auf dieser Seite finden Sie Links zu Beispielen für OPV, OLED, OFET, SCLC, Exzitonen, großflächige Heterostrukturen und Beispiele im Frequenzbereich.