Kohlenstoffringe und andere Molekülstrukturen

Organische Materialien bestehen aus Molekülen, die auf einem oder mehreren Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Typischerweise sind mehrere Kohlenstoffatome zu verzweigten Ketten und Ringen (Benzolgruppen) verbunden, die wiederum von Wasserstoffatomen umgeben sind. Zusätzlich können andere Atome, z.B. Sauerstoff, Stickstoff uvm. an die Kohlenstoffatome gebunden sein, wodurch die Eigenschaften der Materialien verändert werden.

Beispiel für einen organischen Farbstoff.
Beispiel für einen organischen Farbstoff, der in der organischen Photovoltaik verwendet wird: Zink-Phthalocyanin (kurz ZnPc). In der Molekül-Struktur entspricht jede Ecke, an der kein anderer Buchstabe steht, einem Kohlenstoffatom. Im mittleren Bild entspricht jede schwarze Kugel einem Kohlenstoffatom. Der Wasserstoff wird in der Molekül-Struktur nicht eingezeichnet. Das ZnPc-Molekül besteht folglich aus einem Zink-Atom (Zn, blau), acht Stickstoff-Atomen (N, grün), 32 Kohlenstoff-Atomen (C, schwarz) und 16 Wasserstoff-Atomen (weiß).

Organische Halbleiter sind eine Unterkategorie der organischen Materialien und besitzen eine weitere Eigenschaft: Ein sogenanntes „Konjugiertes π-Elektronensystem“1, bei dem sich die Elektronenorbitale der Kohlenstoffatomen so überlappen, das die Elektronen lokal delokalisiert sind und sich ein Energieunterschied zwischen einem bindenden und antibindenden Zustand einstellt, hierdurch können sie als Halbleiter-Molekül bezeichnet werden. In Halbleitern ist es beispielsweise möglich, kurzzeitig Energie im Elektronen-System des Moleküls zu speichern. Eine solche Molekül-Anregung nennt man Exziton. Exzitonen spielen in organischen Solarzellen und Leuchtdioden eine zentrale Rolle. Details zu den speziellen Eigenschaften von Halbleitern und Exzitonen werden auf den folgenden Seiten erläutert.

Quellen:
Elektronische Struktur organischer Halbleiter: http://orgworld.de/?Basics

1: π ist der griechische Buchstabe „pi“


2012 by OES, Johannes Widmer

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