Modelo para mobilidade efetiva em dispositivos bicamada de polímero e fulereno

Abstract

Resumo: Neste trabalho, simulamos a mobilidade efetiva dos portadores de carga em dispositivos com estrutura em bicamada formada pela heterojunção entre um polímero conjugado e fulereno. Tais simulações foram realizadas usando dois modelos desenvolvidos a partir da Teoria de Corrente Limitada por Carga Espacial (SCLC) e do modelo original desenvolvido por Parmenter e Ruppel para a injeção de dois portadores de carga em isolantes. O primeiro modelo considera uma estrutura bicamada entre dois materiais semicondutores orgânicos com uma interface ideal e abrupta entre eles. O segundo modelo é desenvolvido como consequência de resultados experimentais que mostram haver uma rugosidade na interface entre as duas camadas orgânicas, onde os dois materiais se misturam formando uma camada semelhante ao caso de uma estrutura em heterojunção de volume. Ele considera então a existência de uma camada intermediária de transporte bipolar entre duas camadas com transporte unipolar de elétrons no fulereno e buracos no polímero, respectivamente. O parâmetro limitante no transporte dos portadores de cargas nos filmes orgânicos é a mobilidade de recombinação, que determina o comportamento dos dispositivos. Dois limites foram estudados com a dependência da mobilidade de recombinação: caso para o Regime de Carga Espacial quando a mobilidade de recombinação é muito alta, e o caso para o Regime de Injeção de Plasma quando a mobilidade de recombinação é muito baixa comparada com a mobilidade dos portadores majoritários em cada camada. Por fim, fizemos os ajustes teóricos usando os dois modelos, em curvas de densidade de corrente em função da tensão (J x V) para dispositivos bicamada construídos usando o polímero poly[2,7-(9,9-bis(2-ethylhexyl)-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PSiF-DBT) como camada doadora de elétrons e o fulereno C60 como camada aceitadora de elétrons

Abstract: We propose two models to simulate the charge carrier’s effective mobility in organic bilayer heterojunction devices formed by a conjugated polymer and fullerene. Those models are based on the classical theory of the Space Charge Limited Current (SCLC) and on the original model develop by Parmenter and Ruppel to describe the ambipolar charge injection in insulator. The first model considers a bilayer structure formed by an ideal abrupt interface between the two organic semiconductors. Yet experimental results indicate that the roughness of the polimeric film just after the deposition of the fullerene creates a mixed intermediate layer between two materials that resembles a bulk heterojunction. The second model considers then the presence of an intermediate layer with ambipolar transport sandwiched between two layers with unipolar transport of electron in the fullerene and holes in the polymer, respectively. The key parameter to limit the charge transport in the two models is the recombination mobility. We considered then two regimes: (i) the space charge limited regime that happens when the recombination mobility is low compared with the mobility of the majority carriers in each layer and (ii) the plasma regime that happens when the recombination mobility is high compared to the mobility of the majority carriers. Finally we applied the model to fit experimental current density versus applied voltage ( J X V ) curves measured in devices using the polymer poly[2,7-(9,9-bis(2-ethylhexyl)-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] PSiF as donor layer and the fullerene C60 as acceptor layer.