Printed Organic Photodiodes with Enhanced Performance and Simplified Processing
Creators: name: Strobel, Noah
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: organic photodiode
organic photodetector
OPD
organic semiconductor
bulk-heterojunction
printed electronics
inkjet
aerosol jet
near infrared
color selective
visible light communication

description: Zukünftige Technologien in den Bereichen Datenübertragung, Industrieautomatisierung, Verbraucherelektronik und medizinische Diagnostik werden von der Entwicklung optischer Sensortechnologien profitieren, die eine kosteneffiziente Fertigung, mechanische Flexibilität, personalisiertes Design und maßgeschneiderte Funktionalität bieten. Eine vielversprechende Klasse von Sensoren, die diese Eigenschaften gewähren, sind Photodetektoren auf der Basis organischer Halbleiter. Sogenannte organische Photodioden (OPDs) haben sich in den letzten Jahren rasch in ihrer Leistung verbessert und ihr Potenzial als komplementäre Technologie zu anorganischen Bauelementen unter Beweis gestellt. Vor allem aber ermöglicht Prozessierbarkeit aus der Flüssigphase die Bauteilfertigung mit industriellen Drucktechniken. Der große Parameterraum des Druckens in Verbindung mit den morphologischen und energetischen Anforderungen von OPDs führt jedoch zu einer Fülle von Herausforderungen, die den Übergang vom Labormaßstab zu relevanten Produktionsmethoden erschweren. In dieser Arbeit werden drei neue Konzepte für die OPD-Fertigung vorgestellt, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Es werden alternative - und in einigen Fällen "unkonventionelle" - photoaktive Materialsysteme eingeführt, die gleichzeitig die Verarbeitung vereinfachen, die Leistung verbessern und zusätzliche Funktionalität bieten. Der erste Ansatz konzentriert sich auf die Verwendung von Isolatoren als Prozessadditive für die Herstellung von photoaktiven Schichten. Entgegen der Intuition behindert dies nicht die Funktionalität der OPDs, sondern verbessert sogar die Detektionsgeschwindigkeit durch eine Erhöhung der molekularen Ordnung der Halbleiterschicht. Ein zweiter Ansatz besteht in der Untersuchung einer neuartigen Materialklasse, nämlich den Nicht-Fulleren Akzeptoren (engl. non-fullerene acceptors, NFA), um die Empfindlichkeit in Richtung des nahen Infrarot-Bereichs zu erweitern und zu erhöhen. Diese Studie führte zur ersten Demonstration von digital gedruckten NFA-OPDs mit einer Rekordempfindlichkeit von über 750 nm und Detektionsgeschwindigkeiten im MHz-Bereich. Schließlich ermöglicht ein drittes Konzept die digitale Herstellung mehrfarbiger OPDs, indem ein innovatives Tintensystem entwickelt wird, das die viskoelastischen und optischen Eigenschaften erfolgreich entkoppelt, um die Fertigung zu vereinfachen und die spektrale Flexibilität von NFAs optimal ausnutzt. Die resultierende farbselektive Detektion ermöglicht die Integration der OPDs in ein Mehrkanal-Kommunikationssystem für sichtbares Licht (engl. visible light communication), das eine der vielversprechendsten aufkommenden Technologien im Bereich der optischen Datenübertragung darstellt. Alle drei Ansätze kombinieren herausragende Funktionalität und Leistung mit vereinfachten Herstellungsverfahren und tragen dazu bei das Potenzial von OPDs für das breite Feld der optischen Sensorik erfolgreich auszuschöpfen.