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Ultrafast Triplet Formation in N-Substituted Pentacene Derivatives

Herz, Julia

German Title: Ultraschnelle Tripletbildung in N-substituierten Pentacen Derivaten

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Abstract

Higher members of the acene molecule class, like the benchmark compound pentacene, are known to undergo singlet fission (SF). This extraordinary process is attractive regarding its ability of boosting quantum effciencies in photovoltaic cells and overcoming the Shockley-Queisser limit of single junction devices. There is consensus that in pentacene SF proceeds on an ultrafast timescale (<100 fs), but the details of the process are still subject of debate. Within this work, pump-probe as well as pump-depletion-probe techniques were used in combination with rate model simulations to disentangle the initial steps of SF. In particular, the effect of nitrogen atoms, which were incorporated into the pentacene backbone, on the photoinduced dynamics of TIPS-pentacene was studied. These solution-processable azaderivatives, called Diaza-TIPS- pentacene and Tetraaza-TIPS-pentacene, are great building blocks for the design of new architectures with optimized electronic properties and represent promising candidates for their use in photovoltaic devices. Measurements in the visible as well as in the near-infrared spectral region were performed in order to get a complete picture of the triplet manifold. This required the design and implementation of a new experimental setup. By applying global target analyses and numerical simulations, a detailed kinetic model of the excited state dynamics of all investigated materials could be established. The experimental observations indicate a participation of the intermediate coupled triplet pair state 1TT, which has become a hot topic regarding its role in mediating SF. The nitrogen substitution in the heteroacenes not only accelerates the formation of the 1TT state compared to TIPS-pentacene, but also the population of the final triplet state T1 via the 1TT state, implying higher quantum efficiencies. The absorption of all relevant exited states were successfully assigned with regard to their spectral occurence.

Translation of abstract (German)

Die höheren Acene, wie auch das Referenzsystem Pentacen, sind zu einem Prozess befähigt, in welchem unter Einsatz von einem Photon zwei Triplett-Spezies gebildet werden können. Dieser auÿerordentliche Prozess (engl.: singlet fission (SF)) ist besonders attraktiv im Hinblick auf eine potenzielle Effzienzsteigerung in photovoltaischen Zellen, insbesondere um die Shockley-Queisser Grenze von Solarzellen zu überschreiten. Es herrscht Einigkeit darüber, dass SF in Pentacen auf einer ultraschnellen Zeitskala abläuft (<100 fs), die Details des Prozesses sind jedoch Gegenstand aktueller Diskussion. In dieser Arbeit werden sowohl Pump-Probe als auch Pump-Depletion-Probe Techniken in Kombination mit Ratenmodell-Simulationen angewandt, um die primären Schritte des SF Mechanismus aufzuklären. Speziell wird der Einfluss von Stickstoffatomen, die in das Pentacen-Rückgrat eingebaut wurden, auf die photoinduzierten Dynamiken hin untersucht. Diese löslichen Aza-Derivate (Diaza-TIPS-pentacen and Tetraaza-TIPS-pentacen) bilden hervorragende Grundgerüste für die Konstruktion neuer Materialien mit optimierten elektronischen Eigenschaften und stellen vielversprechende Kandidaten hinsichtlich deren Einsatz in photovoltaischen Zellen dar. Ein neuer Messplatz wurde entwickelt, um Messungen im sichtbaren, sowie im nahinfraroten Spektralbereich durchführen und hierdurch Informationen über die beteiligten Triplettübergänge erhalten zu können. Durch globale Anpassung und numerische Simulation der Messdaten konnte ein detailliertes kinetisches Modell der Dynamiken des angeregten Zustands von allen untersuchten Materialien aufgestellt werden. Die experimentellen Beobachtungen deuten auf eine Beteiligung des kontrovers diskutierten Zwischenzustands 1TT bei der Tripletterzeugung durch SF hin. Die Stickstoffsubstitution in den Heteroacenen beschleunigt nicht nur die Bildung des 1TT Zustandes verglichen zu TIPS-Pentacen, sondern auch die Population des T1 via 1TT, was eine höhere Quantenausbeute impliziert. Die Absorption aller relevanter angeregter Zustände konnten bezüglich ihrer spektralen Lage erfolgreich zugeordnet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Motzkus, Prof. Dr. Marcus
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 24 July 2015
Date Deposited: 31 Jul 2015 08:36
Date: 2015
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Femtosekunden Laserspektroskopie, Organische Elektronik, Ladungsgenerierung
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