Modellierung von Ladungs- und Exzitondynamik in amorphen organischen Halbleitern = Modeling of charge and exciton dynamics in amorphous organic semiconductors

Organische Halbleiter finden Anwendungen in vielen Technolgien, wie organischen Leuchtdioden, organischen Solarzellen oder organischen Transistoren. Die Effizienz der Bauteile wird hierbei maßgeblich von den elektronischen Transporteigenschaften der zugrundeliegenden organischen Halbleiter bestimmt, deren oft amorphe Struktur zu Ladungsperkolationseffekten auf einer Größenordnung von 100nm führen kann. In dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, die es ermöglichen mesoskopischen Ladungstransport in amorphen organischen Halbleitern, auf der Basis zugrundeliegender quantenchemischer Rechnungen, effizient zu simulieren.
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Dabei werden Methoden zur effizienten Auswertung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern in kinetischen Monte-Carlo Verfahren (KMC), sowie Algorithmen zur Beschleuningung von Vielteilchen-KMC-Verfahren vorgestellt.
Die Methoden werden gegen den prototypischen organischen Halbleiter alpha-NPD validiert.
Es wird gezeigt, dass Ladungstransport in gemischten Emissions-Transport Materialien, wie sie in organischen Leuchtdioden Einsatz finden, durch Hüpftransport zwischen Emittermolekülen stattfindet, indem räumliche Distanzen zwischen End- und Anfangszustand durch virtuelle Zustände auf Transportmolekülen überbrückt werden.
Desweitern wird gezeigt, dass Ladungsträgerinjektion an metallisch-organischen Grenzflächen bei hohen elektrischen Feldern durch virtuelle Übergangszustände auf organischen Molekülen in der Nähe der Grenzfläche um mehrere Größenordnungen verstärkt wird.

Organic semiconductors are used in many applications such as organic light emitting diodes, organic photovoltaics or organic transistors. The efficiency of these devices is to a large extend determined by the electronic transport properties of the organic semiconductors, which are often made as amorphous materials that show charge percolation effects on the 100nm scale. In this work methods are introduced to efficiently simulate mesoscopic charge transport in amorphous organic semiconductors, based on quantum-chemical simulations.
Methods for the efficient calculation of Coulomb interaction between charge carriers in kinetic Monte-Carlo protocols are introduced, as well as algorithms to accelerate many particle kinetic Monte-Carlo protocols. ... mehr
The methods are validated against the prototypical organic semiconductor alpha-NPD.
It is shown that charge transport in mixed emitter transport materials, as used in organic light emitting diodes, is determined by the hopping transport between emitter molecules, which is strongly enhanced by virtual states on transport molecules, which bridge initial and final state of the hopping process.
It is furthermore shown that charge carrier injection from metal to organic semiconductor is, at high fields, strongly enhanced by virtual transition states on organic molecules close to the metal organic interface.