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Molecular vibrations reduce the maximum achievable photovoltage in organic solar cells
No full textThe low-energy edge of optical absorption spectra is critical for the performance of solar cells, but is not well understood in the case of organic solar cells (OSCs). We study the microscopic origin of exciton bands in molecular blends and investigate their role in OSCs. We simulate the temperature dependence of the excitonic density of states and low-energy absorption features, including low-frequency molecular vibrations and multi-exciton hybridisation. For model donor-acceptor blends featuring charge-transfer excitons, our simulations agree very well with temperature-dependent experimental absorption spectra. We unveil that the quantum effect of zero-point vibrations, mediated by electron-phonon interaction, causes a substantial exciton bandwidth and reduces the open-circuit voltage, which is predicted from electronic and vibronic molecular parameters. This effect is surprisingly strong at room temperature and can substantially limit the OSC’s efficiency. Strategies to reduce these vibration-induced voltage losses are discussed for a larger set of systems and different heterojunction geometries.We would like to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft for financial support through the Emmy Noether program (OR 349/1-1) and the project Photogen (VA 1035/5-1) as well as the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) for financial support (InnoProfile project "Organische p-i-n Bauelemente 2.2" (03IPT602X)). Grants for computer time from the Zentrum fur Informationsdienste und Hochleistungsrechnen of TU Dresden (ZIH) and the Leibniz Supercomputing Centre in Garching (SuperMUC-NG) are gratefully acknowledged. Insightful discussions with K. Tvingstedt are gratefully acknowledged.Ortmann, F , (reprint author), Tech Univ Dresden, Ctr Adv Elect Dresden, D-01062 Dresden, Germany.
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Manipulating the Charge Transfer Absorption for Narrowband Light Detection in the Near-Infrared
No full textCharge generation and recombination processes at interfaces between electron donating (donor, D) and accepting molecules (acceptor, A) are mediated by intermolecular charge-transfer (CT) states. Since organic photovoltaic and photodetecting devices rely on D-A interfaces, an understanding of the molecular and morphological aspects governing CT state properties is crucial. In this paper, we synthesize a novel series of bi(thio)pyranylidene donor molecules and show how the interplay of molecular structure and energy levels in a D-C-60 blend affect the line shape of the CT absorption cross section. By rationally designing the molecule 2,2',6,6'-tetra-(2-methylthienyl)-4,4'-bithiopyranylidene, we achieve a 2 times stronger CT absorption peak than the literature-known molecule 2,2',6,6'-tetraphenyl-4,4'-bipyranylidene when blended with C-60. The low CT state energy combined with relatively strong CT absorption of this new material blend is exploited by fabricating near-infrared, cavity enhanced narrowband detectors. The photodetectors cover an impressive wavelength range from 810 to 1665 nm with line widths between 30 and 50 nm.We thank the Ser Cymru II Program ̂ “Sustainable Advanced Materials” (Welsh European Funding Office European Regional Development Fund). C.K. is the recipient of a UKRI EPSRC Doctoral Training Account studentship. P.M. is a Ser Cymru II Research Chair, and A.A. is a Rising Star Fellow ̂ funded through the Welsh Government’s Ser Cymru II ̂ “Sustainable Advanced Materials” Program (European Regional Development Fund, Welsh European Funding Office, and Swansea University Strategic Initiative). The work at the Institute for Applied Physics at TU Dresden was founded by the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) through the InnoProfile project “Organische p-i-n Bauelemente 2.2” (Grant 03IPT602X)
Theoretische, skalenübergreifende Untersuchungen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen molekularer Materialien in der Organischen Elektronik
Full text linkOrganische Halbleiter bieten vielfältige Vorteile gegenüber konventionellen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid. Hierzu zählen beispielweise die Strukturvielfalt der Moleküle, welche eine anwendungsbezogene Optimierung der Materialeigenschaften erlaubt, die ressourcenschonenden Herstellungsprozesse elektronischer Bauelemente oder die mechanische Flexibilität entsprechender Filme. Während organische Leuchtdioden bereits in kommerziellen Produkten eingesetzt werden und die Entwicklung hochauflösender Displays erlauben, verhindern Defizite in der Performanz den weitreichenden Einsatz von Technologien wie organischen Feldeffekttransistoren oder Solarzellen. Für die Optimierung organischer Bauelemente ist ein detailliertes Verständnis zugrundeliegender Effekte auf molekularer Ebene erforderlich. Auf diese Weise können zielgerichtet optimierte Materialien entwickelt und Veränderungen an der Architektur der Bauelemente vorgenommen werden.
Ziel dieser Dissertationsschrift ist ein Erkenntnisgewinn für niedermassige organische Halbleiter auf der Grundlage hierarchischer Materialsimulationen. Das bedeutet, dass die Eigenschaften dieser Materialklasse skalenübergreifend studiert und auf die Molekülstruktur bezogen werden. Die parallel stattfindende Modellentwicklung für die Simulation der Materialien erlaubt die systematische Studie von Molekül- und Filmstrukturen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um Designstrategien für verbesserte Materialien zu definieren.
Einzelmolekülstudien auf der Grundlage quantenchemischer Methoden ermöglichen eine kriterienbasierte Vorselektion geeigneter Moleküle. Damit reduzieren sie den Aufwand für Synthese und experimentelle Charakterisierung. Exemplarisch erfolgt eine Analyse der Materialklasse der BODIPYs als nahinfrarot-absorbierende Donatormaterialien für organische Solarzellen als auch für radikalische Moleküle. In beiden Fällen erweist sich die Manipulation der Grenzorbitale bzw. der Wellenfunktionen der ungepaarten Elektronen unter anderem durch Benzanellierung, Push-Pull-Strategien sowie die Kontrolle der molekularen Sterik als zielführende Designstrategie.
Die Weiterentwicklung dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen erfolgt auf der Grundlage der quantenchemischen Analyse von Molekülclustern. Auf diese Weise lassen sich intermolekulare Effekte auf Längenskalen von bis zu 5 nm systematisch analysieren. Dabei unterstützen Einzelmolekülstudien die Interpretation der Resultate und reduzieren die erforderlichen Rechenressourcen. Die Simulation niederenergetischer Ladungstransferabsorption an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche erlaubt beispielsweise die Analyse von Unordnungsprozessen und elementaren Eigenschaften organischer Materialien. Entgegen der vielfältig genutzten Marcus-Theorie zeigt sich dabei, dass sich hochenergetische molekulare Schwingungsmoden bei Raumtemperatur nicht klassisch verhalten. Hieraus folgt die Definition der temperaturabhängigen reduzierten Relaxierungsenergie, welche allein Beiträge klassischer niederenergetischer Moden berücksichtigt, oder die Nutzung alternativer Modelle zur Beschreibung von Ladungstransport. Abseits dieser Einzelmolekülbeiträge kann der Einfluss umgebungsabhängiger molekularer Deformationen durch eine Verbindung von Molekulardynamik-Simulationen und zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen beobachtet werden. In aktiven Schichten mit geringer Donatorkonzentration tragen diese neben den Beiträgen der intramolekularen, reduzierten Relaxierungsenergien dominant zur Verbreiterung niederenergetischer Ladungstransferabsorption bei. Damit führen sie in organischen Solarzellen zu einem Spannungsverlust und können in organischen Nahinfrarotdetektoren zur Erweiterung des spektroskopischen Fensters genutzt werden. Basierend auf den Resultaten lassen sich verbesserte Designregeln für Donatormaterialien ableiten. Zum Beispiel können die Versteifung des molekularen Grundgerüsts oder die Anbringung kleiner funktioneller Gruppen eine Reduktion dieser Beiträge bewirken.
Auch wenn Einzelmolekül- und Molekülclustersimulationen helfen, das Verhalten von organischen Materialien in elektronischen Bauelementen und ihren Einfluss auf die Performanz zu verstehen, so gelten die extrahierten Tendenzen für weitestgehend homogene strukturelle Umgebungen. Dies ist in organischen Filmen oftmals nicht gewährleistet, was die Simulation repräsentativer Filmausschnitte motiviert. Theoretische Studien beschreiben bisher weitestgehend die Eigenschaften kristalliner oder amorpher Strukturen. Um polykristalline Filmstrukturen zu charakterisieren, eignet sich die Verbindung eines statistischen Wachstumsalgorithmus mit Kraftfeld-basierten Molekulardynamik-Simulationen. Dieser Ansatz ist für vielfältige Moleküle anwendbar und erfordert mit Kristallstrukturdaten und Kraftfeldparametern einen vergleichsweise geringen Satz an Inputinformationen. Die auf diese Weise konstruierten Strukturen stellen eine Grundlage für die systematische, ordnungsabhängige Analyse der Ladungsträgermobilität dar, wie für C60 demonstriert wird. Entgegen der Annahme, dass Ladungstransport mit geringerer struktureller Ordnung innerhalb des Films üblicherweise schlechter wird, zeigt sich für C60, dass energetische Homogenität wichtiger sein kann als strukturelle Ordnung. In polykristallinen C60-Strukturen kommt es zu einem energetischen Gefälle zwischen Molekülen an Korngrenzen und Molekülen innerhalb der Kristallite, was teilweise zu kleineren Elektronenmobilitäten als für amorphe Strukturen führt.
Mit der Abfolge aus Einzelmolekülstudien, Molekülclusteranalysen und Filmsimulationen gibt die Dissertationsschrift vertiefte Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen organischer Halbleiter und liefert zugleich methodisch neue Impulse für die weiterführende theoretische Untersuchung dieser. Über diese individuellen Fortschritte hinausgehend zeigt sie auf, dass ein Verständnis der Einzelmoleküle erforderlich ist, um Phänomene in Molekülclustern zu modellieren und zu verstehen. Zudem sind sowohl Einzelmolekül- als auch Molekülclusterstudien notwendig, um Effekte in Filmausschnitten zu beschreiben. Damit wird die Durchführung von hierarchischen Materialstudien bzw. Multiskalensimulationen weiter motiviert
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Molecular parameters responsible for thermally activated transport in doped organic semiconductors
No full textDoped organic semiconductors typically exhibit a thermal activation of their electrical conductivity, whose physical origin is still under scientific debate. In this study, we disclose relationships between molecular parameters and the thermal activation energy (EA) of the conductivity, revealing that charge transport is controlled by the properties of host-dopant integer charge transfer complexes (ICTCs) in efficiently doped organic semiconductors. At low doping concentrations, charge transport is limited by the Coulomb binding energy of ICTCs, which can be minimized by systematic modification of the charge distribution on the individual ions. The investigation of a wide variety of material systems reveals that static energetic disorder induced by ICTC dipole moments sets a general lower limit for EA at large doping concentrations. The impact of disorder can be reduced by adjusting the ICTC density and the intramolecular relaxation energy of host ions, allowing an increase of conductivity by many orders of magnitude.We thank O. Kaveh and D. Schutze for performing conductivity measurements, D. Wohrle for supplying F8ZnPc, and M.L. Tietze for insightful discussions. M.S. acknowledges financial support by the German Research Foundation (DFG) through the project MatWorldNet LE-747/44-1, the German Academic Exchange Service within the frame of the IPID4all Program and the Graduate Academy of TU Dresden. A.H. acknowledges financial support from the project UNVEiL of the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). S.K. thanks JSPS for financial support (KAKENHI 26248062). N.U. acknowledges support of the Global-COE Program of MEXT (G03) and 21st Century-COE Program of MEXT(G-4) for developing an ultrahigh-sensitivity UPS system. B.N. received funding from the European Union Seventh Framework Programme under grant agreement no. 607232 (THINFACE). F.O. would like to thank the DFG for financial support (project OR-349/1). Grants for computing time from the Zentrum fur Informationsdienste und Hochleistungsrechnen Dresden (ZIH) are gratefully acknowledged
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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