Neuer Ansatz für organische Photodetektoren: vereinfachte Struktur für hocheffiziente Technologie

Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden hat einen innovativen organischen Photodetektor (OPD) entwickelt, der durch eine vereinfachte Struktur und herausragende Leistungsfähigkeit überzeugt. Der Durchbruch liegt in der Verwendung eines einzigen Materials in der photoaktiven Schicht – ein Ansatz, der eine schnellere und kostengünstigere industrielle Herstellung ermöglicht, ohne Kompromisse bei der Sensitivität einzugehen. Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht. 

Organische Solarzellen (OSZ) und organische Photodetektoren (OPD) bestehen aus mehreren Schichten, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Kernstück dieser Bauelemente ist die sogenannte photoaktive Schicht, in der das eingestrahlte Licht absorbiert und freie Ladungsträger erzeugt werden. In organischen Bauelementen werden in dieser aktiven Schicht typischerweise zwei organische Absorbermoleküle kombiniert, um eine effiziente Ladungsträgererzeugung zu ermöglichen. Dieser Ansatz hat sich als sehr erfolgreich für die Herstellung hochleistungsfähiger OSZ und OPDs erwiesen. Allerdings stellt dieser Ansatz Herausforderungen an die industrielle Fertigung und die Langzeitstabilität der Bauelemente. 

„Unser Ziel war es, diese Herausforderungen zu überwinden und eine einfachere, aber ebenso leistungsfähige Alternative zu entwickeln“, erklärt Dr. Johannes Benduhn, Leiter der Arbeitsgruppe OSENS (Organic sensors and solar cells) am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden. Das Team entwickelte einen OPD, dessen photoaktive Schicht aus nur einem organischen Halbleitermaterial besteht. Die gesamte Bauelementstruktur kann mit der industrie-erprobten Vakuumverdampfungstechnologie hergestellt werden, wodurch die Ergebnisse schnell in die Praxis überführbar sind. Trotz der vereinfachten Struktur erreicht der neuartige OPD eine interne Quanteneffizienz von 20 Prozent und eine sehr hohe Sensitivität (D* = 10¹³ Jones), die mit der von kommerziellen Siliziumdetektoren vergleichbar ist. Mithilfe ultraschneller transienter Absorptionsspektroskopie konnte das Team in Kooperation mit der Universität Bern nachweisen, dass die Ladungsträger innerhalb weniger als einer Pikosekunde (ein Billionstel einer Sekunde, 10⁻¹² Sekunden) generiert werden. Ergänzt wurden diese Ergebnisse durch umfangreiche quantenchemische Berechnungen in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München, die die Ursachen für die hohe Effizienz der Ladungsträgererzeugung aufdeckten. 

© Jakob Wolansky

 „Mit unserer Arbeit zeigen wir, dass OPDs auf Basis eines einzigen photoaktiven Materials eine vielversprechende Strategie darstellen, um die Herstellung organischer Bauelemente zu vereinfachen“, betont Dr. Benduhn. „Mit der detaillierten Untersuchung der Ladungsträgergeneration leisten wir zudem einen wichtigen Beitrag zum fundamentalen Verständnis für diese zukunftsträchtige Technologie.“ Die Ergebnisse demonstrieren das Potenzial dieser Technologie für eine breite Anwendung in der Sensorik und Photonik. Durch die Vereinfachung der Herstellung und die Nutzung etablierter Verfahren ist der Weg für eine industrielle Umsetzung geebnet. 

Original Publikation:
J. Wolansky, C. Hoffmann, M. Panhans, L. C. Winkler, F. Talnack, S. Hutsch, H. Zhang, A. Kirch, K. M. Yallum, H. Friedrich, J. Kublitski, F. Gao, D. Spoltore, S. C. B. Mannsfeld, F. Ortmann, N. Banerji, K. Leo, J. Benduhn, Sensitive Self-Driven Single-Component Organic Photodetector Based on Vapor-Deposited Small Molecules. Adv. Mater. 2024, 2402834. https://doi.org/10.1002/adma.202402834 

Kontakt:
Dr. Johannes Benduhn
Institut für Angewandte Physik
TU Dresden
Email:
Tel. +49351463-36446