Zwei Elektronen statt einem: Forscher haben eine Methode gefunden, die organische Halbleiter doppelt so effizient macht – und das auf verblüffend einfache Weise. Denn bei richtiger Kombination von Polymer und eingefügten Fremdmolekülen stellen diese dem Halbleiter zwei Ladungsträger statt nur einem zur Verfügung. Diese Doppel-Dotierung könnte organische Elektronik künftig deutlich effektiver machen, so die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Materials“.
Ob LEDs, Solarzellen oder Computerprozessoren: Herzstück der modernen Elektronik sind meist Halbleiter – Materialien, die durch gezieltes Einfügen von Fremdatomen die gewünschten elektronischen Eigenschaften entfalten. Auch bei organischen Halbleitern, wie sie in organischen Solarzellen oder OLED-Displays eingesetzt werden, spielt diese sogenannte Dotierung eine entscheidende Rolle. Gängiger Annahme nach stellt jedes Fremdatom dabei maximal einen Ladungsträger – beispielsweise ein Elektron – zur Verfügung und erhöht so die Leitfähigkeit.
Das Problem dabei: Weil der Grad der Dotierung nicht beliebig nach oben gesteigert werden kann, ist die Leitfähigkeit gerade der organischen Halbleiter bisher begrenzt. Sie sind weniger effektiv als ihre anorganischen Gegenstücke, weshalb beispielweise organische Solarzellen bisher einen nur geringen Wirkungsgrad besitzen. Wissenschaftler suchen daher weltweit nach Möglichkeiten, die Effektivität organischer Halbleiter zu steigern.
Doppelte Elektronenaufnahme im Polymer-Halbleiter
Eine verblüffend einfache und effektive Lösung könnten nun David Kiefer von der Chalmers-Universität in Schweden und sein Team entdeckt haben. Ihre Idee: Sie brachten gängige Dotierungsmoleküle dazu, zwei statt nur einem Ladungsträger zu erzeugen. „Durch diese Doppel-Dotierung kann der Halbleiter doppelt so effektiv werden“, sagt Kiefer.
Das Prinzip dahinter: Wenn die richtige Kombination aus Polymermaterial und organischen Dotierungs-Molekülen gewählt wird, dann kommt es zur Übertragung von gleich zwei Elektronen auf die eingestreuten Fremdmoleküle. Dadurch werden diese Moleküle zu zweifach negativ geladenen Ionen und stellen dem Halbleiter damit zwei Ladungsträger zur Verfügung, wie die Forscher herausfanden.
Mit gängigen Polymeren und Dotierungen machbar
Wie die Experimente ergaben, funktioniert diese Doppel-Dotierung bei gleich mehreren gängigen Dotierungsmolekülen, solange ein Polymer mit möglichst geringer Ionisierungsenergie verwendet wird. „Wenn solche Polymerfilme mit vier Gewichtsprozent F4TCNQ dotiert werden, kommt es zu einem Ladungstransfer, durch den 90 Prozent der Dotierungsmoleküle als Dianionen vorliegen“, berichten Kiefer und seine Kollegen.
Schon in ihren ersten Versuchen haben die Forscher vier verschiedene Kombinationen aus Polymer und Dotierungsmolekülen gefunden, bei denen diese Doppel-Dotierung funktioniert. „Das deutet darauf hin, dass es sich hier um ein Prinzip handelt, das auf eine breite Palette von organischen Halbleitern mit entsprechenden Energieniveaus anwendbar ist“, konstatieren die Wissenschaftler.
Wichtiger Schritt für organische Solarzellen und Co
Nach Ansicht von Kiefer und seinem Team eröffnet diese Doppel-Dotierung damit ganz neue Möglichkeiten, um die Effizienz organischer Halbleiter zu steigern. „Gerade bei organischen Solarzellen oder organischen Schaltkreisen ist es bisher nicht möglich, die Komponenten ähnlich stark zu dotieren wie bei der siliziumbasierten Elektronik“, sagt Kiefers Kollege Christian Müller. „Unser Ansatz ist nun ein Schritt in die richtige Richtung.“
Denn durch die Doppel-Dotierung kann der Effekt der Fremdmoleküle auf das Doppelte verstärkt werden, ohne dass mehr Moleküle ins Material eingestreut werden müssen. Elektronische Bauteile auf Polymerbasis könnten dadurch künftig deutlich effektiver werden. „Das ist ein wichtiger Schritt nicht nur für optoelektronische Geräte wie OLEDs oder organische Solarzellen, sondern auch in organischen Feldeffekttransistoren, organischer Thermoelektrik oder der Bioelektronik“, schreibt Björn Lüssem von der Kent State University in einem begleitenden Kommentar. (Nature Materials, 2019; doi: 10.1038/s41563-018-0263-6)
Quelle: Chalmers University of Technology
