Effect of Encapsulation and Light-soak on Charge Transport Properties in Organic Semiconductor –based Diodes

par Sanyasi Bobbara

Thèse de doctorat en Physique, milieux dilués et optique fondamentale

Sous la direction de Jean-Michel Nunzi et de Regis Barillé.

Soutenue le 22-09-2017

à Angers en cotutelle avec Queen's University (Canada) , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers (MOLTECH ANJOU) / MOLTECH ANJOU (laboratoire) .

Le président du jury était Kévin Stamplecoskie.

Le jury était composé de Jean-Michel Nunzi, Regis Barillé.

Les rapporteurs étaient Jun Gao, Clara Santato.

mots clés

• Transport de charges
• Encapsulation
• Cellules solaires organiques
• Polymères
• Fluorescence

Titre traduit

Effet d'encapsulation et d'éclairement prolongé sur les propriétés de transport de charges dans les diodes semiconductrices organiques

Résumé

Les semiconducteurs organiques (SO) ont attiré une grande attention ces dernières années en raison de leur facilité de fabrication, de leurs modifications des propriétés optiques et électriques et de leur rentabilité. Ils forment la classe de matériaux les plus adaptés à l'électronique flexible et à la bioélectronique, en particulier en association avec des matériaux inorganiques / hybrides solubles en solution. Cependant, la mobilité des charges dans ces matériaux est fortement affectés par leur désordre structurel et énergétique introduit par les défauts qui "piègent" les transporteurs de charge. Selon l'emplacement physique des pièges et leur distribution en énergie, ils pourraient affecter de manière significative le transport de charge dans un dispositif. Le présent travail s'efforce de sonder l'interface et les états défectueux en masse dans des diodes à base de polymère. Au lieu de cela, une partie de l'étude implique de caractériser le système avec et sans encapsulation, en utilisant des techniques pour enregistrer le comportement de courant-tension à l'état stationnaire (IV), les transitoires d'extraction de charge par la tension augmentant linéairement (CELIV) et les courants transitoires d'injection en obscurité (DiTC), ainsi que la photoluminescence (PL) et l'électroluminescence (EL) des systèmes. Les mêmes caractéristiques ont été effectuées pour observer l'effet de pénétration de la lumière ultraviolet (UV) sur les systèmes. Tous les tests ont été effectués sur trois polymères différents, à savoir P3HT, MDMO:PPV et PCDTBT. La comparaison des dispositifs encapsulés et non encapsulés donne un aperçu des différences caractéristiques des mesurables lors de l'exposition à l'air et humidité. Les tests de pénétration lumineuse indiquent la modification de la fonction de travail de la cathode après une désorption d'oxygène assistée par UV sur l'interface polymère/cathode. Un effort simultané s'est traduit par une étude in situ de la dynamique de transport des charges dans les semi-conducteurs organiques sur une large gamme de temps à une échelle microscopique.

mots clés

• Organic solar cell
• Charge transport
• Encapsulation

Résumé

Organic semiconductors (OSs) have garnered a great attention in the recent years due to their ease of processibility, optical and electrical property-tunability, and to their cost-effectiveness. They form the class of materials most suitable for flexible electronics and bioelectronics, especially in association with solutionprocessable inorganic/hybrid materials. However, the charge mobility in these materials is strongly affected by their structural and energetic disorder introduced by the defects that ‘trap’ the charge carriers. Depending upon the physical location of the traps and their distribution in energy, they could significantly affect the charge transport in a device. The present work strives to probe the interface and bulk defect states in polymer-based diodes. In lieu of that, a part of the study involved characterizing the device with and without encapsulation, using techniques to record steady-state current-voltage (IV)behaviour, transients of charge extraction by linearly increasing voltage (CELIV) and dark-injection transient currents (DiTC), as well as photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) off the devices. The same characteristics have been carried out to observe the effect of ultra-violet (UV) lightsoak on the devices. All the tests were performed on three different polymers, namely P3HT, MDMO:PPV and PCDTBT. The comparison of the encapsulated versus unencapsulated devices gives an insight into characteristic differences in the measurables upon exposure to air and moisture. The light-soak tests indicate the modification of the cathode work function after a UV-assisted oxygen desorption off the polymer/cathode interface. A simultaneous effort went into an in-situ investigation of charge transport dynamics in organic semiconductors over wide time range at a microscopic scale.