Nanoscale investigation and control of the interfacial properties of organic solar cells and organic thin-film transistors

摘要

Las propiedades de las películas de semiconductores orgánicas y, en particular, de las interfases involucradas, son uno de los aspectos más prominentes en relación con la eficiencia de los dispositivos orgánicos. La interfase formada entre dos materiales orgánicos puede influenciar las propiedades electrónicas y ópticas de los dispositivos de diferentes manteras: por los mecanismos de crecimiento, la morfología, la densidad de defectos y la estructura electrónica. El impacto de la orientación molecular en interfases de materiales orgánicos es una de las cuestiones menos entendidas y menos investigadas en relación con la eficiencia de células solares orgánicas. Mediante el uso de microscopia de sonda cercana (SPM) y fotoluminiscencia, se ha demostrado en esta tesis una correlación clara entre la orientación molecular en la interfase de DIP (donor)/PTCDI-C8 (aceptor) y la formación de un estado de transferencia de carga para aquellas heteroestructuras en las que el solape de los orbitales p en moléculas adyacentes es favorecido. Otro tipo de interfase de materiales orgánicos de gran relevancia se encuentra en los transistores orgánicos de película delgada (TFTs), en el que el dieléctrico es funcionalizado con películas orgánicas autoensambladas (SAMs). El uso de SAMs es una tecnología muy prometedora en la manufacturación de transistores orgánicos para conseguir voltajes de operación deseados dado que el voltaje umbral de operación puede ser modulado mediante la elección de las SAMs. El origen físico de este fenómeno ha sido muy debatido en la literatura y permanece una cuestión abierta. Microscopia de sonda Kelvin ha sido empleada como herramienta para explorar las propiedades electrónicas de la interfase entre DNTT (semiconductor orgánico) y dos SAMs con cadenas alquílica terminadas en grupos metil o metil fluorinados. Dicho estudio en correlación con la operación de los TFTs con DNTT ha revelado que el voltaje umbral depende de la capacitancia del dieléctrico solamente para la SAM fluorinada y se ha determinado que se debe a la interacción electrónica en la interfase entre DNTT y los grupos F de la SAM. En conjunto, los estudios realizados en esta tesis combinan una serie de métodos sistemáticos y técnicas complementarias que han permitido abordar el efecto de procesos electrónicos en interfases de relevancia en células solares y TFTs. Los resultados de esta tesis ponen de manifiesto la importancia del control de las propiedades estructurales y electrónicas de las interfases de materiales orgánicos como paso necesario para mejorar la eficiencia de dispositivos.