Inverkan av indirekt rekombination på fotoinducerad absorption

I organiska halvledare påverkas mängden laddningsbärare kraftigt av indirekt rekombination, det vill säga processen då fria laddningsbärare försvinner genom att kombineras med orörliga laddningsbärare av motsatt laddning. De orörliga laddningsbärarna uppstår när laddningsbärare fastnar i fällor, som är energitillstånd med låg energi och densitet. Utöver indirekt rekombination sker även direkt rekombination mellan fria laddningsbärare. Då man tillverkar solceller av organiska halvledare påverkas effektiviteten av energidistributionen och rekombinationsprocesserna i materialen. Utveckling av olika metoder för undersökning av dessa egenskaper är således till nytta i jakten på bättre solcellsmaterial. Målet med detta arbete var att vidareutveckla dataanalysen för cwPA-mätningar(från engelska continuous-wave Photoinduced Absorption) för att ur resultaten få information om indirekt rekombination och fälldistributioner. I cwPA-mätningar studerar man fotoinducerad absorption, det vill säga förändringen i absorption hos ett prov då densiteten av fotogenererade laddningsbärare varierar. Laddningsbärarna genereras av ett pumpljus vars intensitet ges av en fyrkantsvåg som växlar mellan 0 och I med vinkelfrekvensen omega. Resultaten fås i form av i-fas-signal (PAI), som har samma frekvens och fas som pumpljuset, och kvadratur (PAQ), som har samma frekvens som pumpljuset men är fasförskjuten 90 grader. Fördelen med denna mätning är förutom känsligheten att den är kontaktlös, vilket gör att den visar egenskaperna hos det undersökta materialet utan att påverkas av elektriska kontakter. För att undersöka inverkan av indirekt rekombination på cwPA-mätningar simulerades mätresultat genom att använda numeriska beräkningar. Grunden för simuleringarna var att lösa differentialekvationer för densiteter av laddningsbärare i olika tillstånd. Beräkningarna använde en modell med transporttillstånd och fällor placerade så att energidistributionen var symmetrisk för elektroner och hål. Modellen antog att laddningsbärare inte kunde röra sig direkt mellan fällor utan endast via transporttillstånd. Från simuleringarna erhölls användbara samband mellan fotoinducerad absorption och olika fälldistributioner. Särskilt påverkade distributionerna i-fas-signalen för hög intensitet på pumpljuset och kvadraturen för låg frekvens på fyrkantsvågen. För en exponentiell fälldistribution hittades samband mellan mätresultat och distributionens karakteristiska energi (Ech) i förhållande till temperaturen (T). Dessa är för hög intensitet PAI~I^(1+Ech/kT) och för låg frekvens PAQ~omega^(kT/Ech). Resultaten visade att man kan skilja på en exponentiell fälldistribution, en gaussisk fälldistribution och ett system som domineras av direkt rekombination genom att göra cwPA-mätningar vid olika temperaturer.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Étude de dépendance des dynamiques de Polarons avec microstructures des semi-conducteurs polymériques

Cet ouvrage présente une étude portant sur le polymère P3EHT (poly(3-(20-ethyl)hexyl-thiophene)). Parmi les nombreuses caractéristiques de la dynamique des polarons pouvant être étudiées, seules celles liées aux changement de morphologie le seront dans ce travail. De plus, la vérification du modèle HJ permet d’expliquer la photophysique des polymères conjugués, grâce à l’étude des spectres de photoluminescence. L’étude de la dynamique des polarons à travers l’absorption photo-induite en fonction de la fréquence a permis de trouver les durées de vie pour un même échantillon avec des morphologies différentes. Les résultats ont démontré que la morphologie est non seulement fondamentale pour l’étude des polarons, mais consiste aussi en une caractéristique essentielle pour comprendre le nouveau modèle HJ.

Excitation spectrum for ultrafast photogeneration of charged solitons in polyacetylene

Ultrafast photoinduced absorption by infrared-active vibrational modes is used to detect charged solitons in oriented trans-polyacetylene. Soliton pairs are photogenerated within similar to250 fs with quantum efficiencies (phi(ch)) approaching unity. The excitation spectrum of phi(ch) shows an onset at similar to1.0 eV with a weak photon energy dependence up to 4.7 eV. The results are consistent with the ultrafast soliton formation predicted by Su and Schrieffer and with the Su-Scrieffer-Heeger threshold of 2E(g)/pi for soliton pair production. The recombination dynamics of charged solitons is very fast (initial decay<1 ps) with a modest dependence on the pump photon energy.

Excitation spectrum for ultrafast photogeneration of charged solitons in polyacetylene

Ultrafast photoinduced absorption by IRAV modes is used to detect charged solitons in oriented polyacetylene. We find that soliton pairs are photogenerated within our time resolution of similar to250 fs with similar to100% quantum efficiency (phi(ch)). The excitation spectrum of phi(ch) shows an onset at 1.0 eV, with a weak photon energy dependence up to 4.7 eV. These results agree with the ultrafast soliton formation predicted by Su and Schrieffer and with the SSH threshold of 2E(g)/pi for soliton pair production.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Raman spectroscopy analysis of structural photoinduced changes in GeS(2) + Ga(2)O(3) thin films

Photoexpansion and photobleaching effects have been observed in amorphous GeS(2) + Ga(2)O(3) (GGSO) thin films, when their surfaces were exposed to UV light. The photoinduced changes on the surface of the samples are indications that the structure has been changed as a result of photoexcitation. In this paper, micro-Raman, energy dispersive X-ray analysis (EDX) and backscattering electrons (BSE) microscopy were the techniques used to identify the origin of these effects. Raman spectra revealed that these phenomena are a consequence of the Ge-S bonds` breakdown and the formation of new Ge-O bonds, with an increase of the modes associated with Ge-O-Ge bonds and mixed oxysulphide tetrahedral units (S-Ge-O). The chemical composition measured by EDX and BSE microscopy images indicated that the irradiated area is oxygen rich. So, the present paper provides fundamental insights into the influence of the oxygen within the glass matrix on the considered photoinduced effects. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photoinduced hole-transfer in semiconducting polymer/low-bandgap cyanine dye blends: evidence for unit charge separation quantum yield

Power-conversion efficiencies of organic heterojunction solar cells can be increased by using semiconducting donor-acceptor materials with complementary absorption spectra extending to the near-infrared region. Here, we used continuous wave fluorescence and absorption, as well as nanosecond transient absorption spectroscopy to study the initial charge transfer step for blends of a donor poly(p-phenylenevinylene) derivative and low-band gap cyanine dyes serving as electron acceptors. Electron transfer is the dominant relaxation process after photoexcitation of the donor. Hole transfer after cyanine photoexcitation occurs with an efficiency close to unity up to dye concentrations of similar to 30 wt%. Cyanines present an efficient self-quenching mechanism of their fluorescence, and for higher dye loadings in the blend, or pure cyanine films, this process effectively reduces the hole transfer. Comparison between dye emission in an inert polystyrene matrix and the donor matrix allowed us to separate the influence of self-quenching and charge transfer mechanisms. Favorable photovoltaic bilayer performance, including high open-circuit voltages of similar to 1 V confirmed the results from optical experiments. The characteristics of solar cells using different dyes also highlighted the need for balanced adjustment of the energy levels and their offsets at the heterojunction when using low-bandgap materials, and accentuated important effects of interface interactions and solid-state packing on charge generation and transport.

Determination of the photoinduced birefringence and of the refractive index by Brewster method of epoxy resin doped with CdS

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Characterization of the reversible photoinduced optical changes in Sb-based glasses

Changes occurring in absorption coefficients when glasses in the SbPO4-WO3 binary system were irradiated by light, at the edge of the absorption band, were measured in real time. These glasses present good thermal and optical properties and photoinduced changes in the absorption coefficients are reversible by heat treatment around 150 degrees C. Subsequent recording/erasing cycles could be made without sample degradation. The sensitivity of the induced optical changes was studied for different wavelengths, light powers and energy of light dose exposures, and for different compositions of the glasses. The changes in the absorption coefficients of the glass samples were accompanied by a color change from yellow to blue, and were also characterized by visible spectroscopy. The color changes occurred through the entire volume of the glass (similar to 2 mm thickness) for the Ar-ion laser lines at the edge of the absorption band. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photoinduced structural changes in antimony polyphosphate based glasses

A photocontraction effect in amorphous films of the binary glass system 0.20 [Sb(PO3)(3)](n)-0.80 Sb2O3 has been observed after UV irradiation using the 350.7 nm Kr+ ion laser line with 5.0 W/cm(2). Good optical quality films up to 4.0 mum were deposited on silica substrates at room temperature in vacuum by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) and characterized using WDX, XRD, optical absorption, infrared reflectance, profilometry and atomic force microscopy (AFM) techniques. Very stable glasses were prepared by the melt quenching technique and used as evaporation source for the production of films. The photoinduced structural change (PSC) was observed as a variation of about 6% in the film thickness and this effect is accompanied by a photobleaching of the irradiated area with a blue shift of the optical absorption edge. Otherwise this photoinduced change in the film thickness is very sensitive to the variations in the shape and intensity of the laser beam; therefore several possibilities in optical recording arise from these results. (C) 2003 Published by Elsevier B.V.

Photoinduced effect in Ga-Ge-S based thin films

Glassy films of Ga10Ge25S65 with 4 mu m thickness were deposited on quartz substrates by electron beam evaporation. Photoexpansion (PE) (photoinduced increase in volume) and photobleaching (PB) (blue shift of the bandgap) effects have been examined. The exposed areas have been analyzed using perfilometer and an expansion of 1.7 mu m (Delta V/V approximate to 30%) is observed for composition Ga10Ge25S65 exposed during 180 min and 3 mW/cm(2) power density. The optical absorption edge measured for the film Ge25Ga10S65 above and below the bandgap show that the blue shift of the gap by below bandgap photon illumination is considerable higher (Delta E-g = 440 meV) than Delta E-g induced by above bandgap illumination (Delta E-g = 190 meV). The distribution of the refraction index profile showed a negative change of the refraction index in the irradiated samples (Delta n = -0.6). The morphology was examined using a scanning electron microscopy (SEM). The chemical compositions measured using an energy dispersive analyzer (EDX) indicate an increase of the oxygen atoms into the irradiated area. Using a Lloyd's mirror setup for continuous wave holography it was possible to record holographic gratings using the photoinduced effects that occur in them. Diffraction efficiency up to 25% was achieved for the recorded gratings and atomic force microscopy images are presented. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photoinduced electronic transitions and leakage correlation to defects/dislocations in GaN heterostructures

III-nitride materials are very promising for high speed electronics/optical applications but still suffer in performance due to problems during high quality epitaxial growth, evolution of dislocation and defects, less understanding of fundamental physics of materials/processing of devices etc. This thesis mainly focus on GaN based heterostructures to understand the metal-semiconductor interface properties, 2DE(H)G influence on electrical and optical properties, and deep level states in GaN and InAlN, InGaN materials. The detailed electrical characterizations have been employed on Schottky diodes at GaN and InAl(Ga)N/GaN heterostructures in order to understand the metal-semiconductor interface related properties in these materials. I have observed the occurrence of Schottky barrier inhomogenity, role of dislocations in terms of leakage and creating electrically active defect states within energy gap of materials. Deep level transient spectroscopy method is employed on GaN, InAlN and InGaN materials and several defect levels have been observed related to majority and minority carriers. In fact, some defects have been found common in characteristics in ternary layers and GaN layer which indicates that those defect levels are from similar origin, most probably due to Ga/N vacancy in GaN/heterostructures. The role of structural defects, roughness has been extensively understood in terms of enhancing the reverse leakage current, suppressing the mobility in InAlN/AlN/GaN based high electron mobility transistor (HEMT) structures which are identified as key issues for GaN technology. Optical spectroscopy methods have been employed to understand materials quality, sub band and defect related transitions and compared with electrical characterizations. The observation of 2DEG sub band related absorption/emission in optical spectra have been identified and proposed for first time in nitride based polar heterostructures, which is well supported with simulation results. In addition, metal-semiconductor-metal (MSM)-InAl(Ga)N/GaN based photodetector structures have been fabricated and proposed for achieving high efficient optoelectronics devices in future.

Effect of the Addition of a Fused Donor-Acceptor Ligand on a Ru(II) Complex: Synthesis, Characterization, and Photoinduced Electron Transfer Reactions of Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen) (2+)

The synthesis and the photophysical properties of the complex [Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen)](2+) (TTF = tetrathiafulvalene, dppz = dipyrido-[3,2-a:2',3'-c]phenazine, Aqphen = anthraquinone fused to phenanthroline via a pyrazine bridge) are described. In this molecular triad excitation into the metal ligand charge transfer bands results in the creation of a long-lived charge separated state with TTF acting as electron donor and anthraquinone as terminal acceptor. The lifetime of the charge-separated state is 400 ns in dichloromethane at room temperature. A mechanism for the charge separation involving an intermediate charge-separated state is proposed based on transient absorption spectroscopy.