Gedruckte Organische Fotodioden: Rauschreduktion, Abstandsmessungen und dehnbare Lichtsensoren

Die komplementären Eigenschaften organischer Elektronik sowie die Möglichkeiten der Tintendeposition digitaler Drucktechnologien versprechen eine bedarfsgenaue und nachhaltige Herstellung optoelektronischer Bauteile. Sie bieten Chancen für die Miniaturisierung, ermöglichen Bauteile mit dünnen Formfaktoren und hoher Performance sowie eine vereinfachte Herstellung und Integration. Dies eröffnet ein großes Potenzial für Sensoren in der Kommunikation, der industriellen Fertigung, der Umweltanalyse, dem Energiemanagement und in der medizinischen Diagnostik. Eine vielversprechende Klasse optoelektronischer Sensoren stellen organische Fotodioden (OPDs) dar. ... mehrSie zeigen kompetitive Performance zu anorganischen Fotodioden und können aufgrund ihrer Bauweise und ihrer organischen Bestandteile gedruckt und vielseitig angepasst werden. In dieser Dissertation werden daher Drucktechnologien verwendet, um die Funktionalität gedruckter OPDs zu erweitern. Allerdings bestanden zu Beginn dieser Dissertation eine Reihe an Herausforderungen gedruckter OPDs, die bisher von der Wissensgemeinschaft nicht gelöst werden konnten. So wird der Druck von Mehrschichtsystemen mit steigender Schichtzahl zunehmend komplexer, da untere Schichten Gefahr laufen, durch weitere Druckschritte beschädigt zu werden. Es fehlte an Methoden, Mikrooptik und OPDs zu kombinieren, um ihre optische Funktionalität zu erweitern. Zuletzt bestand die Herausforderung eine vereinfachte Herstellung hochperformanter optoelektronischer Sensoren auf dehnbaren Substraten zu finden. Zur Meisterung der Herausforderungen wurden daher in dieser Dissertation drei Ansätze verfolgt. Im ersten Ansatz wurden die spezifischen Druckparameter der Aerosoljet-Drucktechnick genutzt, um die Lösemittelkonzentration der Aerosoltröpfchen im Flug zu reduzieren, sodass die Trocknungszeit gedruckter Schichten auf Sekunden herabgesetzt werden konnte. Hierdurch wird der Druck von Mehrfachschichten mit dem gleichen Lösungsmittel möglich, wie durch den Druck oberer Blockschichten in rauschreduzierten OPDs nachgewiesen werden konnte. Der zweite Ansatz bestand aus der Kombination inkjetgedruckter Mikrolinsen mit OPDs. Hierdurch konnte der Effekt der fokusinduzierten Stromantwort für akkurate Abstandsmessungen mit Auflösungen im Mikrometerbereich ausgenutzt werden. Drittens wurde erstmals in der Wissenschaft der vollständige Druck rigider Inselstrukturen und OPDs auf dehnbaren Substraten demonstriert. Dies ergab eine drastisch vereinfachte Herstellung dehnbarer Lichtsensoren. Mit der Durchführung der drei Ansätze konnten der Stand der Technik erheblich vorangebracht werden und die Herausforderungen gelöst werden. Die vorgestellten Konzepte stellen eine Verbindung der Bauteilarchitektur, Mikrooptik und komplexeren Sensorsystemen durch die Anwendung digitaler Drucktechnologien dar.

The complementary properties of organic electronics and the precise ink deposition of digital printing technologies promise on-demand, fit-to-requirement and sustainable manufacturing of optoelectronic devices. They offer opportunities for miniaturization, and enable devices with thin form factors and high performance, as well as simplified manufacturing and integration. This opens up great potential for sensors in communications, industrial manufacturing, environmental analysis, energy management, and medical diagnostics. A promising category of optoelectronic sensors are organic photodiodes (OPDs). ... mehrThey show performance competitive to inorganic photodiodes. Due to their design and organic components, they can be printed and customized in many ways. In this dissertation, printing technologies are therefore used to extend the functionality of printed OPDs. However, at the beginning of this dissertation, a number of challenges of printed OPDs existed that had not been solved by the scientific community so far. Firstly, printing multilayer systems becomes increasingly complex as the number of layers increases, as lower layers are at risk of being damaged by additional printing steps. There was a lack of available methods to combine micro-optics and OPDs to extend their optical functionality. Lastly, there was the challenge to find a simplified manufacturing method of high performance optoelectronic sensors on stretchable substrates. To overcome these challenges, three approaches were therefore taken in this dissertation. In the first approach, the specific printing parameters of the aerosol-jet technique were used to reduce the solvent concentration of the aerosol droplets in flight. As a result, the drying time of printed layers could be reduced down to seconds. This enables the printing of multiple layers with the same solvent, as demonstrated by printing upper blocking layers in noise-reduced OPDs. The second approach consisted of combining inkjet-printed microlenses with OPDs. This allowed the effect of focus-induced photoresponse to be exploited for accurate distance measurements with resolutions in the range of micrometers. Thirdly, for the first time in documented science, fully printed rigid island structures and OPDs were demonstrated on stretchable substrates. This resulted in a drastically simplified fabrication of stretchable light sensors. The implementation of the three approaches solved the challenges and significantly advanced the state of current technology. The presented concepts represent a connection of device architecture, micro-optics, and advanced sensor systems through the application of digital printing technologies.