Natuurkundigen van het Dresden Integrated Centre for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) en het Centre for Advancing Electronics Dresden (cfaed) aan de TU Dresden, samen met onderzoekers uit Tübingen, Potsdam en Mainz konden aantonen hoe elektronische energieën in organische halfgeleiderfilms kunnen worden afgestemd door elektrostatische krachten. Een diverse reeks experimenten ondersteund door simulaties was in staat om het effect van specifieke elektrostatische krachten die door de moleculaire bouwstenen op ladingsdragers worden uitgeoefend, te rationaliseren. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In elektronische apparaten op basis van organische halfgeleiders zoals zonnecellen, lichtgevende dioden, fotodetectoren of transistoren, elektronische excitaties en ladingstransportniveaus zijn belangrijke concepten om hun werkingsprincipes en prestaties te beschrijven. De bijbehorende energieën, echter, zijn moeilijker toegankelijk en af ​​te stemmen dan in conventionele anorganische halfgeleiders zoals siliciumchips, wat een algemene uitdaging is. Dit geldt zowel voor de meting als voor de gecontroleerde beïnvloeding van buitenaf.

Eén afstemknop maakt gebruik van de Coulomb-interacties op lange afstand, die wordt versterkt in organische materialen. In de huidige studie, de afhankelijkheid van de energieën van ladingstransportniveaus en van excitonische toestanden van mengselsamenstelling en moleculaire oriëntatie in het organische materiaal wordt onderzocht. Excitonen zijn gebonden paren van een elektron en een gat die door lichtabsorptie in het halfgeleidermateriaal worden gevormd. Wetenschappers spreken van blendsamenstelling wanneer de componenten bestaan ​​uit verschillende organische halfgeleidende materialen. De bevindingen tonen aan dat de energie in organische films kan worden afgestemd door een enkele moleculaire parameter aan te passen, namelijk het moleculaire quadrupoolmoment in de pi-stapelrichting van de moleculen. Een elektrische quadrupool kan bestaan ​​uit twee positieve en twee even sterke negatieve ladingen die twee tegengesteld gelijke dipolen vormen. In het eenvoudigste geval de vier ladingen zijn afwisselend gerangschikt op de hoeken van een vierkant.

De auteurs koppelen verder apparaatparameters van organische zonnecellen zoals de fotospanning of de fotostroom aan dit quadrupoolmoment. De resultaten helpen bij het verklaren van recente doorbraken van apparaatefficiëntie in organische zonnecellen, die zijn gebaseerd op een nieuwe klasse van organische materialen. Aangezien het waargenomen elektrostatische effect een algemene eigenschap is van organische materialen, waaronder zogenaamde "kleine moleculen" en polymeren, het kan helpen om de prestaties van alle soorten organische apparaten te verbeteren.