Degradation Analysis and Parameter Extraction of Organic Semiconductor Devices : Investigation by means of Complementary Measurement Techniques combined with Numerical Simulation
Creators: name: Züfle, Simon
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: organic solar cells
OLED
modeling
characterization
degradation
charge transport

description: Das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von organischen Halbleiter-Materialien ist von enormer Bedeutung, um stabile und effiziente Bauelemente zu erreichen. Während organische Leuchtdioden (OLEDs) bereits industriell hergestellt werden, sind organische Solarzellen (OSCs) noch nicht so weit. Beide Technologien eint jedoch das Potential dass sie kostengünstig in grossen Massen, dabei in flexiblen und leichten Bauformen hergestellt werden könnten, was sie interessant für eine ganze Reihe von Anwendungen macht.

Die elektrische Funktionsweise von OLEDs und OSCs ist bestimmt durch die physikalischen Prozesse Ladungsträger-Injektion/Extraktion, Transport, Rekombination, Lichtabsorption und -emission. Die Untersuchung dieser Prozesse erfordert ein gutes Verständnis der damit zusammenhängenden Material- und Bauteil-Parameter.

Die Etablierung von zuverlässigen Messmethoden und numerischen Modellen zur Bestimmung dieser Parameter ist für die organische Halbleiterindustrie entscheidend, werden doch auch 30 Jahre nach der Erfindung von OLEDs stetig neue organische Halbleitermaterialien entwickelt und Bauelemente optimiert.

In dieser Arbeit präsentieren wir einen neuen synoptischen Ansatz, welcher eine Reihe von elektrischen Charakterisierungs-Methoden im stationären Zustand sowie im transienten und ACModus kombiniert. Die Verwendung von komplementären Messungen und analytischen Methoden sowie die qualitative Analyse von spezifischen Charakteristika in den Messungen lässt Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu und erlaubt es einzelne Materialparameter zu bestimmen. Dabei sind die verschiedenen Messungen direkt vergleichbar weil sie mit dem selben Messaufbau in kurzer Zeit und bei konstanten Messbedingungen durchgeführt werden.

Indem wir diesen kombinatorischen Prozess mit numerischen Drift-Diffusions-Simulationen zusammenbringen, sind wir erstmalig in der Lage die gesamte Bandbreite der elektrischen Experimente zu modellieren. Dies erlaubt uns die Zuverlässigkeit von gebräuchlichen Parameter- Extraktions-Routinen zu testen und ihre Grenzen zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der genaueste und zuverlässigste Weg zur Bestimmung des ganzen Parameter-Satzes eine globale Fit-Routine von Drift-Diffusions-Simulationen über die gesamte Reihe an Experimenten ist.

Es kann von Vorteil sein, für die Parameter-Analyse spezielle unipolare Bauteile herzustellen, womit Rekombination und andere bipolare Ladungstransport-Effekte vermieden werden. Hier zeigen wir, dass Zwei-Schicht-OLEDs, welche eine polare Elektronen-Transportschicht enthalten, in einem gewissen Spannungsbereich unipolares Verhalten aufweisen. Solche Bauelemente können daher anstelle von Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Bauteilen verwendet werden, um die Loch- Injektion sowie den Loch-Transport in der Loch-Transportschicht, oder in einem beliebigen Material mit passenden molekularen Energieniveaus, zu untersuchen. Durch Variation der Temperatur können wir die thermische Aktivierungsenergie bestimmen, und in Beiträge für den Transport und die Injektion zerlegen.

Wir wenden den synoptischen Ansatz weiter an, um Degradation zu untersuchen. Eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen, ausgelöst durch Licht, Temperatur, Feuchte oder elektrischen Strom, kann die Leistung und Stabilität von organischen Halbleiter-Bauelementen beeinträchtigen. Für unsere Studien führen wir ausführliche Messroutinen zu verschiedenen Zeitpunkten während des Alterns durch. Durch die Kombination mit Simulationen sowie durch die Analyse der Signaturen spezifischer Prozesse ist es uns möglich, zwischen verschiedenen Effekten zu unterscheiden und die dominierenden Alterungsmechanismen zu identifizieren. Hierbei zeigt sich, dass in vielen Fällen der gesamte Schichtaufbau, bestehend aus Verkapselung, funktionellen Schichten und dem aktiven Material, in Stabilitäts-Untersuchungen berücksichtigt werden muss.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von verschiedenen Experimenten in Verbindung mit Simulationen es ermöglicht, wertvolle Informationen über die Physik hinter Degradationsprozessen zu erhalten. Dieser Ansatz stellt damit einen gültigen und attraktiven Weg für die weitere Charakterisierung von organischen Halbleiter-Materialien und Bauteilen dar.