Printed Organic Photodiodes with Enhanced Performance and Simplified Processing

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. ... mehrVor 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.

Future technologies in the fields of communication, industrial automation, consumer electronics and medical diagnostics will benefit from the development of optical sensing technologies that offer cost-efficient fabrication, mechanical flexibility, personalized design and tailored functionality. A promising class of sensors that grant these capabilities are photodetectors based on organic semiconductors. So-called organic photodiodes (OPDs) have improved rapidly in performance over the last years and have proven their potential to provide a complementary technology to inorganic devices. ... mehrMost importantly, their processability from solution enables the fabrication with industrial printing techniques. However, the vast parameter space of printing in combination with the morphological and energetic requirements of OPDs results in a plentitude of challenges that burden the transition from the lab-scale to relevant production methods. This thesis presents three novel concepts for OPD fabrication that help to overcome these challenges. Alternative - and in some cases “non-conventional”- photoactive material systems are introduced to simultaneously simplify processing, improve performance and provide additional functionality. The first approach focusses on the use of insulators as processing additives for the fabrication of photoactive layers. Against intuition, this does not hinder the steady-state functionality of the fabricated OPDs but even improves the detection speed due to an increase in the molecular order of the semiconductor layer. Another approach involves the investigation of a novel class of materials, namely non-fullerene acceptors (NFA), to extend and increase the device responsivity towards the near infrared. This study led to the first demonstration of digitally printed NFA OPDs with record responsivities surpassing 750 nm and detection speeds in the range of MHz. Finally, digital fabrication of multi-color OPDs is enabled, by developing an innovative ink system with decoupled viscoelastic and optical properties that simplifies processing and successfully exploits the spectral flexibility of NFAs. The resulting color selective response allows integration of the OPDs in a multi-channel visible light communication scheme, which represents one of the most promising upcoming technologies in the field of optical data transmission. All three approaches combine state of the art performance with a simplified processing route and pave the way for OPDs to live up to their potential in the vast field of optical sensing.