Undersökning av dopning i organiska dioder och solceller

Organiska solceller har gjort stora framsteg med avseende på effektivitet och stabilitet under det senaste årtiondet. Oavsiktlig dopning är ett ofta förekommande fenomen i organiska halvledare. Orenheter och defekter i halvledarmaterialet kan ge upphov till dopning. Dessutom kan organiska halvledare dopas över tid då de kommer i kontakt med syre eller fukt. I takt med att andra egenskaper optimeras och effektiviteten stiger blir dopningen en allt viktigare förlustprocess att ta i beaktande i organiska solceller. Målet med detta arbete har varit att bättre förstå dopningens inverkan på organiska dioder och solceller. Tanken var att med hjälp av två olika dopningsmolekyler åstadkomma avsiktlig dopning och på så sätt kontrollerat undersöka och skapa en bättre förståelse av hur dopningen påverkar egenskaperna hos organiska halvledare i dioder och solceller. För att undersöka dopningen har en mätmetod som baserar sig på laddningsextraktion med hjälp av en linjärt ökande spänning, kallad CELIV, använts. Teorin för mätmetoden har utvecklats för att analysera godtyckliga dopningsprofiler och för att ta i beaktande dopningsprofilen vid bestämning av mobiliteten. Metoden har, genom de experiment som utförts, bekräftats fungera väl för undersökning av dopning i organiska tunnfilmsdioder. De två dopningsmolekyler som använts har testats framgångsrikt för dopning av polymererna P3HT och PBTTT. Under arbetets gång kunde en viktig orsak till oavsiktlig dopning identifieras. Som selektivt håltransportlager vid anoden är molybdentrioxid ett av de mest använda materialen. I detta arbete visas att molekyler från ett tunt lager av molybdentrioxid diffunderar in i halvledarlagret och orsakar dopning. Dopningen i P3HT:PCBM till följd av ett molybdentrioxidlager är så hög att även tunna solceller, kring 100 nm, kommer att påverkas negativt på grund av ökad rekombination. Dopningen till följd av diffusion av molybdentrioxid är ett resultat som visar på ett behov att hitta nya alternativa material för håltransport. Ett alternativ kunde vara att använda kraftigt dopade organiska halvledare. För detta ändamål kan den avsiktliga dopning som här testats vara relevant. De experimentella resultat som ingår i denna avhandling bekräftar att CELIV-metoden lämpar sig väl för att mäta dopningskoncentration och dopningsprofiler i organiska dioder samtidigt som man kan erhålla information om laddningstransporten i halvledarlagret.

Electrochemical and spectroelectrochemical characterization of alkylated and thiolated polyanilines

Vi omges i vardagen av alla sorters plaster, som kemiskt kallas för polymerer. Vi anknyter dem oftast till vardagliga föremål såsom muggar, leksaker eller platskassar. Det finns dock en särklass av polymerer som fås elektriskt ledande genom en så kallad dopningsprocess. Dopning innebär i detta fall oxidation eller reduktion av konjugerade dubbelbindningar i polymerstrukturen. Detta har lett till utveckling av elektriska apparater där dyra, och i vissa fall även sällsynta, metall och halvledarmaterial ersätts genom av elektriskt ledande polymerer (plaster). Utöver elektronisk ledningsförmåga uppvisar dessa polymerer också jonisk ledningsförmåga. Denna kombination av unika egenskaper möjliggör skapandet av t.ex. nya sensormaterial som kan överföra kemisk information till en mätbar elektronisk signal. Detta öppnar i sin tur möjligheter att göra snabba, billiga och känsliga sensorer för bl.a. mediciniska analyser. I denna avhandling karakteriserades elektrokemiskt och spektroelektrokemiskt N- och ring-substituerade polyanilinfilmer. Polyanilin (PANI) hör till de mest studerade elektriskt ledande polymererna. Den är stabil och lätt att framställa. Substituerade polyaniliner har ändå studerats måttligt, mest p.g.a. att substituerade PANIs ledningsförmåga är lägre än PANIs och deras framställning kan vara svår. De nya grupperna i PANI-kedjan ger dock en möjlighet att binda ytterligare molekyler av intresse till PANI-kedjan, som t.ex. jonselektiva grupper. Kovalent bundna selektiva molekyler ger upphov till stabila, känsliga och selektiva sensormaterial. Karakteriseringen av de studerade polymerer är viktig för den fundamentala förståelsen av deras unika egenskaper och för utvecklingen av framtidens sensormaterial. -------------------------------------- Käytämme joka päivä monenlaisia muoveja, joita kutsutaan kemiassa myös polymeereiksi. Olemme tottuneet yhdistämään muovit arkisiin esineisiin kuten mukeihin, leluihin tai muovikasseihin. On kuitenkin olemassa erityisiä polymeerejä, jotka voidaan saada sähköä johtaviksi hapetus- ja pelkistysreaktioiden avulla. Tästä johtuen on kehitteillä sähköisiä laitteita, joissa kalliit ja jossain tapauksissa myös harvinaisia metalleja sisältävät osat ja puolijohteet voidaan korvata johdepolymeereillä (eli muoveilla). Sähkönjohtavuuden lisäksi johdepolymeereillä on myös ionijohtavuutta. Näiden erityislaatuisten ominaisuuksien yhdistelmä on mahdollistanut mm. sensorimateriaalin kehittämisen, sillä kemiallinen tieto voidaan kääntää mitattavaksi sähköiseksi signaaliksi. Tämä taas omalta osaltaan mahdollistaisi nopeiden, halpojen ja herkkien sensorien valmistuksen, mm. diagnostiikkaan. Tässä väitöksessä on tutkittu sähkökemiallisesti valmistettuja N- ja rengassubstituoituja polyaniliinikalvoja. Polyaniliini (PANI) on yksi eniten tutkituista johdepolymeereistä. Se on stabiili ja helppo valmistaa. Substituoidut polyaniliinit ovat herättäneet vain kohtalaista tieteellistä kiinnostusta, lähinnä, koska niiden sähköinen johdekyky on alhaisempi kuin PANIn. Myös niiden valmistus voi olla vaikeaa. Substituoidut molekyylit PANI-ketjussa mahdollistavat kuitenkin, että niihin voi liittää uusia molekyylejä, esim. ioniherkkiä ryhmiä. Kovalentisti sitoutuneilla selektiivisillä molekyyleillä saadaan tehtyä stabiileja, herkkiä ja selektiivisiä sensorimateriaaleja. Väitöksessä käytettyjen polymeerien karakterisointi on tärkeää, jotta niiden erityisominaisuuksia pystyttäisiin ymmärtämään paremmin ja myös kehittämään sopivia tulevaisuuden sensorimateriaaleja.