Рекомбинация носителей заряда в аморфных органических полупроводниках

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена бимолекулярная рекомбинация носителей заряда в аморфных органических полупроводниках. Общей особенностью этих материалов является пространственная корреляция случайного энергетического ландшафта, в котором осуществляется прыжковый транспорт носителей заряда. Проведен расчет константы скорости рекомбинации, в том числе для случая локально упорядоченных материалов. Оказывается, что именно пространственная корреляция является причиной нарушения соотношения Ланжевена между подвижностями носителей заряда и константой скорости рекомбинации. Для разных источников энергетического беспорядка истинная константа скорости может быть как меньше, так и больше соответствующего ланжевеновского значения. Указаны перспективные классы органических полупроводников, константа скорости рекомбинации в которых может превышать ланжевеновское значение, что ведет к потенциальному увеличению эффективности генерации света в органических светодиодах. Органические полупроводники с малой величиной константы рекомбинации перспективны для использования в солнечных элементах. Рассмотрены особенности двумерной бимолекулярной рекомбинации в материалах на основе олиго- и политиофенов, в которых формируются двумерные ламеллы. Формальная константа скорости рекомбинации становится зависящей от концентрации носителей заряда, а учет пространственно-коррелированного энергетического беспорядка ведет к реализации разнообразных зависимостей константы скорости от концентрации носителей. Анализ вольт-амперных характеристик органических устройств позволяет сделать выбор между двумерной и трехмерной рекомбинацией.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Новиков

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Автор, ответственный за переписку.
Email: novikov@elchem.ac.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Shinar, J. and Shinar, R., Organic light-emitting devices (oleds) and oled-based chemical and biological sensors: an overview, J. Physics D, 2008, vol. 41, no. 13, p. 133001.
  2. Kim, J.J., Han, M.K., and Noh, Y.Y., Flexible oleds and organic electronics, Semicond. Sci. Technol., 2011, vol. 26, no. 3, p. 030301.
  3. Günes, S., Neugebauer, H., and Sariciftci, N.S., Conjugated polymer-based organic solar cells, Chem. Rev., 2007, vol. 107, no. 4, p. 1324.
  4. Shim, Y.B. and Park, J.H., Humidity sensor using chemically synthesized poly (1, 5-diaminonaphthalene) doped with carbon, J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, no. 1, p. 381.
  5. Heremans, P., Gelinck, G.H., Muller, R., Baeg, K.J., Kim, D.U., and Noh, Y.Y., Polymer and organic nonvolatile memory devices, Chem. Mater., 2011, vol. 23, no. 3, p. 341.
  6. Organic electrochemistry, Hammerich, O., Speiser, B., Eds, Boca Raton: CRC press, 2016. 1736 p.
  7. Solid state electrochemistry I: fundamentals, materials and their applications, Kharton, V.V., Ed., Boca Raton: John Wiley-VCH, 2009. 527 p.
  8. Bouwmeester, H. and Gellings, P., Handbook of solid state electrochemistry, Boca Raton: CRC press, 1997. 704 p.
  9. Pivrikas A., Juška, G., Österbacka, R., Westerling, M., Viliunas, M., Arlauskas, K., and Stubb, H., Langevin recombination and space-charge-perturbed current transients in regiorandom poly(3-hexylthiophene), Phys. Rev. B, 2005, vol. 71, no. 12, p. 125205.
  10. Kuik, M., Wetzelaer, G.A.H., Laddé, J.G., Nicolai, H.T., Wildeman, J., Sweelssen, J., and Blom, P.W.M., The effect of ketone defects on the charge transport and charge recombination in polyfluorenes, Adv. Funct. Mater., 2011, vol. 21, no. 23, p. 4502.
  11. Kuik, M., Nicolai, H.T., Lenes, M., Wetzelaer, G.A.H., Lu, M., and Blom, P.W.M., Determination of the trap-assisted recombination strength in polymer light emitting diodes, Appl. Phys. Lett., 2011, vol. 98, no. 9, p. 093301.
  12. Wetzelaer, G.A.H., Kuik, M., Nicolai, H.T., and Blom, P.W.M., Trap-assisted and langevin-type recombination in organic light-emitting diodes, Phys. Rev. B, 2011, vol. 83, no. 16, p. 165204.
  13. Lakhwani, G., Rao, A., and Friend, R.H., Bimolecular recombination in organic photovoltaics, Annu. Rev. Phys. Chem., 2014, vol. 65, no. 1, p. 557.
  14. Proctor, C.M., Kuik, M., and Nguyen, T.Q., Charge carrier recombination in organic solar cells, Prog. Polym. Sci., 2013, vol. 38, no. 12, p. 1941.
  15. Kniepert, J., Lange, I., van der Kaap, N.J., Koster, L.J.A., and Neher, D., A conclusive view on charge generation, recombination, and extraction in as-prepared and annealed p3ht: pcbm blends: Combined experimental and simulation work, Adv. Energy Mater., 2013, vol. 4, no. 7, p. 1301401.
  16. Deibel, C., Wagenpfahl, A., and Dyakonov, V., Origin of reduced polaron recombination in organic semiconductor devices, Phys. Rev. B, 2009, vol. 80, no. 7, p. 075203.
  17. Bässler, H., Charge transport in disordered organic photoconductors. A Monte Carlo study, Phys. Status Solidi B, 1993, vol. 175, no. 1, p. 15.
  18. Novikov, S.V. and Vannikov, A.V., Cluster structure in the distribution of the electrostatic potential in a lattice of randomly oriented dipoles, J. Phys. Chem., 1995, vol. 99, no. 40, p. 14573.
  19. Dunlap, D.H., Parris, P.E., and Kenkre, V.M., Charge-dipole model for the universal field dependence of mobilities in molecularly doped polymers, Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 77, no. 3, p. 542.
  20. Novikov, S.V. and Vannikov, A.V., Hopping charge transport in disordered organic materials: Where is the disorder? J. Phys. Chem. C, 2009, vol. 113, no. 6, p. 2532.
  21. Novikov, S.V., Dunlap, D.H., Kenkre, V.M., Parris, P.E., and Vannikov, A.V., Essential role of correlations in governing charge transport in disordered organic materials, Phys. Rev. Lett., 1998, vol. 81, no. 20, p. 4472.
  22. Novikov, S.V., Charge-carrier transport in disordered polymers, J. Polym. Sci. B, 2003, vol. 41, no. 21, p. 2584.
  23. Novikov, S.V., Dunlap, D.H., and Kenkre, V.M., Charge-carrier transport in disordered organic materials: dipoles, quadrupoles, traps, and all that, SPIE Proceedings, 1998, vol. 3471, p. 181.
  24. Novikov, S.V. and Malliaras, G.G., Energetic disorder at the metal-organic semiconductor interface, Phys. Rev. B, 2006, vol. 73, no. 3, p. 033308.
  25. Tutis, E., Batistic, I., and Berner, D., Injection and strong current channeling in organic disordered media, Phys. Rev. B, 2004, vol. 70, no. 16, p. 161202.
  26. Rice, S.A., Diffusion-Limited Reactions, Amsterdam: Elsevier, 1985. 404 p.
  27. Novikov, S.V., Bimolecular recombination of charge carriers in polar amorphous organic semiconductors: Effect of spatial correlation of the random energy landscape, J. Phys. Chem. C, 2018, vol. 122, no. 40, p. 22856.
  28. Massé, A., Friederich, P., Symalla, F., Liu, F., Meded, V., Coehoorn, R., Wenzel, W., and Bobbert, P.A., Effects of energy correlations and superexchange on charge transport and exciton formation in amorphous molecular semiconductors: An ab Initio study, Phys. Rev. B, 2017, vol. 95, no. 11, p. 115204.
  29. Novikov, S.V., Enhanced bimolecular recombination of charge carriers in amorphous organic semiconductors: Overcoming the Langevin limit, J. Phys. Chem. C, 2019, vol. 123, no. 31, p. 18854.
  30. Liquid Crystalline Semiconductors: Materials, Properties and Applications, Bushby, R.J., Kelly, S.M., and O’Neill, M, Eds, Dordrecht: Springer, 2012. 274 p.
  31. Nakanishi, W., Yoshioka, T., Taka, H., Xue, J.Y., Kita, H., and Isobe, H., [n]cyclo-2,7-naphthylenes: Synthesis and isolation of macrocyclic aromatic hydrocarbons having bipolar carrier transport ability, Angew. Chem., 2011, vol. 123, no. 23, p. 5435.
  32. Sirringhaus, H., Brown, P.J., Friend, R.H., Nielsen, M.M., Bechgaard, K., Langeveld-Voss, B.M.W., Spiering, A.J.H., Janssen, R.A.J., Meijer, E.W., Herwig, P., and de Leeuw, D.M., Two-dimensional charge transport in self-organized, high-mobility conjugated polymers, Nature, 1999, vol. 401, no. 6754, p. 685.
  33. Emeis, C.A. and Fehder, P.L., Microscopic mechanism for diffusion and the rates of diffusion-controlled reactions in simple liquid solvents, J. Am. Chem. Soc., 1970, vol. 92, no. 8, p. 2246.
  34. Freeman, D.L. and Doll, J.D., The influence of diffusion on surface reaction kinetics, J. Chem. Phys., 1983, vol. 78, no. 10, p. 6002.
  35. Novikov, S., Two-dimensional bimolecular recombination in amorphous organic semiconductors, Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, vol. 22, no. 3, p. 1174.
  36. Nenashev, A.V., Jansson, F., Baranovskii, S.D., Österbacka, R., Dvurechenskii, A.V., and Gebhard, F., Role of diffusion in two-dimensional bimolecular recombination, Appl. Phys. Lett., 2010, vol. 96, no. 21, p. 213304.
  37. Greenham, N.C. and Bobbert, P.A., Two-dimensional electron-hole capture in a disordered hopping system, Phys. Rev. B, 2003, vol. 68, no. 24, p. 245301.
  38. Juška, G., Genevi ius, K., Nekrašas, N., Sliaužys, G., and Österbacka, R., Two dimensional Langevin recombination in regioregular poly(3-hexylthiophene), Appl. Phys. Lett., 2009, vol. 95, no. 1, p. 013303.
  39. Sliaužys, G., Juška, G., Arlauskas, K., Pivrikas, A., Österbacka, R., Scharber, M., Mozer, A., and Sariciftci, N.S., Recombination of photogenerated and injected charge carriers in π-conjugated polymer/fullerene blends, Thin Solid Films, 2006, vol. 511–512, p. 224.
  40. Pivrikas, A., Sariciftci, N.S., Juška, G., and Österbacka, R., A review of charge transport and recombination in polymer/fullerene organic solar cells, Prog. Photovoltaics, 2007, vol. 15, no. 8, p. 677.
  41. Scott, J.C. and Malliaras, G.G., Charge injection and recombination at the metal-organic interface, Chem. Phys. Lett., 1999, vol. 299, no. 2, p. 115.
  42. Burin, A.L. and Ratner, M.A., Charge injection into disordered molecular films, J. Polym. Sci. B, 2003, vol. 41, no. 21, p. 260.
  43. Lampert, M.A. and Mark, P., Current Injection in Solids, New York: Academic Press, 1970. 351 p.
  44. Novikov, S.V., Density of states in locally ordered amorphous organic semiconductors: Emergence of the exponential tails, J. Chem. Phys., 2021, vol. 154, no. 12, p. 124711.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость отношения γ/γL от температуры для беспорядка дипольного типа и различных значений σ (указано возле соответствующей кривой в эВ). Корреляционная функция имеет вид c(r) = Aa/r с A = 0.76 (значение константы для простой кубической решетки [27]), а a = 1 нм – расстояние до ближайшего соседа; ε = 3.

Скачать (73KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость отношения γ/γL от l для притягивающего дополнительного взаимодействия и экспоненциальной корреляционной функции c(r) = exp(–r/l) для различных значений T, К: 150, 200, 250, 300 и 350 от нижней кривой к верхней соответственно; R = 1 нм, σ = 0.1 эВ и ε = 3.

Скачать (86KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость отношения γ/γR от концентрации носителей n/nR для двумерной рекомбинации с отталкивающим дополнительным взаимодействием и дипольной корреляционной функцией c(r) = 0.76a/r с a = 1 нм для различных значений σ, эВ: 0.05, 0.07, 0.1, 0.13 и 0.15; T = 300 К, R = 1 нм, ε = 3, γR = 2πD. Пунктирная линия с точками соответствует случаю отсутствия беспорядка. Линии, расположенные ближе к этой линии разделения, соответствуют меньшим значениям σ.

Скачать (94KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость отношения γ/γR от концентрации носителей n/nR для двумерной рекомбинации с притягивающим (штриховые линии) и отталкивающим (сплошные линии) дополнительным взаимодействием и экспоненциальной корреляционной функцией c(r) = exp(–r/l) с l = 5 нм для различных значений σ, эВ: 0.05, 0.07, 0.1, 0.13 и 0.15;T = 300 К, R = 1 нм, ε = 3. Пунктирная линия с точками показывает случай отсутствия беспорядка. Линии, расположенные ближе к этой линии разделения, соответствуют меньшим значениям σ. Пунктирные прямые линии показывают область, где γ ∝ ns.

Скачать (119KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость показателя степени s в отношении γ ∝ ns от kT/σ при q = –1 и c(r) = exp(–r/l). Приведены разные кривые для l, равного 5 нм, 7 нм и 10 нм (мы используем разные символы для разных комбинаций l и σ, но все кривые довольно близки друг к другу, поэтому мы не даем более точных обозначений для отдельных кривых). Для меньшего и большего l линейная область на рис. 4 развита недостаточно.

Скачать (75KB)
Метаданные
7. Рис. 6. ВАХ для случая равных подвижностей и также γ = γ0 ns для s = 1 (пунктирная линия) и s = 2 (пунктирная линия). Сплошная кривая соответствует трехмерной рекомбинации. K = 1, Gs = 1, E0 = 1 × 105 В/см и T = 300 К. Для L = 1µ и типичных значений соответствующих параметров V0 = 1–10 В.

Скачать (58KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость логарифмической производной Ω = d(ln J )/d(ln V ) от lnV для различных значений s, указанных рядом с соответствующей кривой, K = 1 и Gs = 1; верхняя кривая – кривая трехмерной рекомбинации. Сплошные линии показывают зависимость для µ+ = µ–, пунктирные линии – зависимость для µ+ = 2µ–.

Скачать (90KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость γ–/γL (крестики) и 2-γ+/γL (линии) от концентрации носителей заряда для разных температур (указаны у кривых) для экспоненциальной плотности состояний с E0 = 0.01 эВ и дипольной корреляционной функцией с r0 = 1 нм.

Скачать (83KB)
Метаданные

Примечание

Статья представлена участником Всероссийской конференции “Электрохимия-2023”, состоявшейся с 23 по 26 октября 2023 года в Москве на базе ИФХЭ РАН.


© Российская академия наук, 2024