Ladungsträgertrennung in organischen Donor-Akzeptor Solarzellen

Organische Solarzellen haben jüngst Wirkungsgrade von 12 % unter Laborbedingungen erreicht und sind damit für die industrielle Fertigung geeignet. Im Vergleich zu den weit verbreiteten Silizium-Solarzellen zeichnen sich organische Solarzellen durch große Ex-tinktionskoeffizienten aus, wodurch das einfallende Sonnenlicht innerhalb weniger hundert Nanometer vollständig absorbiert werden kann. Dies ermöglicht die Herstellung dünner, flexibler, leichter und kostengünstiger Solarfolien durch Druck- oder Verdamp-fungstechnik. Die jüngsten Effizienzsteigerungen organischer Solarzellen beruhen jedoch mehr auf Verbesserungen der Solarzellenmorphologie und der Solarzellenarchitektur, als auf einem vollständigen Verständnis der in einer Solarzelle ablaufenden Prozesse. Auf dem Weg zu leistungsstärkeren Solarzellen ist es jedoch unerlässlich, den komplexen, aber für den Erfolg entscheidenden Prozess der Ladungsträgertrennung vollständig zu verstehen. Die vorliegende Arbeit untersucht deshalb die Ladungsträgertrennung in Donor-Akzeptor-(D-A)-Solarzellen aus verschiedenen Blickwinkeln, um mit den gewonnenen Erkenntnissen die gezielte Entwicklung neuer, leistungsstärkerer Solarzellenmaterialien und Solarzellenarchitekturen zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird erstmalig an drei Poly(p-phenylen)-basierten Polymeren in Kombination mit jeweils zwei Akzeptoren die feldabhängige Quantenausbeute in einer Zweischichtsolarzelle bis zur Sättigung des Fotostroms bei hohen Feldstärken gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine große Konjugationslänge bei Polymeren mit einem gleichzeitig hohen Grad an energetischer Ordnung die Ladungsträgertrennung entscheidend unterstützt. Dieses Ergebnis ist unabhängig davon, ob ausschließlich der jeweilige Donor oder der jeweilige Akzeptor angeregt werden. Jedoch werden geringere Sättigungsfeldstärken beobachtet, wenn die Donormaterialien angeregt werden. Da die Energiedifferenz zwischen LUMO-Donor und LUMO-Akzeptor konsequent größer ist als die Energiedifferenz zwischen HOMO-Akzeptor und HOMO-Donor bei der Anregung des Akzeptors, könnte dies darauf hinweisen, dass ein größerer Energieunterschied die Ladungsträgertrennung unterstützt. Fortführende Untersuchungen an einem erweiterten System von Donormaterialien in Zweischichtsolarzellen mit C60 ermöglichen dann eine Unterscheidung zwischen Auswir-kungen auf die Ladungsträgertrennung, die durch Konjugation oder durch energetische Ordnung verursacht werden. Es wird deutlich, dass besonders eine ausgedehnte Konju-gation des Polymers und eine damit verbundene Delokalisation des Coulomb-gebundenen Lochs entlang der Polymerkette die Ladungsträgertrennung maßgeblich begünstigt und über Effekte der energetischen Unordnung dominiert. Die experimentell gemessenen feldabhängigen Quantenausbeuten werden mit bestehenden theoretischen Modellen simuliert und verglichen, wobei Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie-(UPS)-Messungen von Grenzflächendipolen mit berücksichtigt werden. Es zeigt sich, dass eine Kombination zweier Modelle die Messungen am besten beschreibt. Beide Modelle basieren in der Grundidee auf der Delokalisation des gebundenen Lochs, das quanten-mechanische Nullpunktschwingungen auf der Polymerkette im Coulombpotential seines zugehörigen Elektrons ausführt. Die Nullpunktschwingungen sind durch eine effektive Masse charakterisiert und stellen dem dissoziierenden Loch zusätzliche kinetische Ener-gie zur Überwindung der Coulombbarriere zur Verfügung. Daher werden diese Modelle auch als „effektive-Masse-Modelle“ bezeichnet. Bei dem einen Modell, im Folgenden als „Dipolmodell“ spezifiziert, wird der Einfluss des elektrostatischen Potentials an der D-A-Grenzfläche berücksichtigt. Bei dem anderen Modell, dem „Fehlstellenmodell“, wird eine Dissoziation an vereinzelten Defekten mit berücksichtigt. Die Kombination der beiden effektive-Masse-Modelle ermöglicht schließlich eine geschlossene und stimmige Beschreibung der Ladungsträgertrennung in D-A-Solarzellen. Um ein breiteres Verständnis der Ladungsträgertrennung in organischen Solarzellen zu bekommen wird an einem auf Triphenylamin-basierenden D-A-Copolymer Materialsys-tem der Einfluss der Akzeptorstärke und –position auf die Ladungsträgertrennung an-hand optischer und elektrischer Messungen untersucht. Die experimentell gemessenen feldabhängigen Quantenausbeuten der D-A-Copolymere in Zweischichtsolarzellen mit C60 werden mit dem Dipolmodell analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass ein schwächerer, innerhalb des Copolymers gut mit dem Donor auf dem Polymerrückgrad konjugierter Akzeptor die Ladungsträgertrennung mehr erleichtert, als ein stärkerer Akzeptor, der seitlich zum Polymerrückgrad lokalisiert ist. Dies wird durch ein kleineres Dipolmoment an der Copolymer-C60-Grenzfläche und durch eine kleinere effektive Masse in den Fitparametern für den im Polymerrückgrad eingebundenen Akzeptor belegt. Weitere Einblicke in die Ladungsträgertrennung liefern systematische Absorptionsmes-sungen an D-A-Grenzflächen. Es zeigt sich, dass die optische Dichte eines elektrisch halbleitenden Donors und eines Akzeptors bei direktem Kontakt an einer gemeinsamen Grenzfläche nicht additiv ist, sondern dass ein signifikanter Anteil der Extinktion des Donors und des Akzeptors im sichtbaren Wellenlängenbereich fehlt. Dieses Phänomen wird sowohl experimentell an mehreren D-A-Kombinationen, als auch bei theoretischen Simulationen eines übereinander liegenden Donors und Akzeptors mittels zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie festgestellt. Die „fehlende“ Absorption wird auf die Bildung eines Grundzustandskomplexes an der D-A-Grenzfläche zurückgeführt. Weiter beobach-tet man, dass ein großer Anteil an fehlender Extinktion in den Experimenten direkt mit niedrigen Sättigungsfeldstärken der feldabhängigen Quantenausbeute zugehöriger D-A-Zweischichtsolarzellen korreliert, was im Umkehrschluss eine erleichterte Ladungsträ-gertrennung bescheinigt. Dadurch lässt sich auf eine aktive Beteiligung des Grundzu-standskomplexes bei der Ladungstrennung schließen. Die Lichtabsorption direkt an der D-A-Grenzfläche ist stark reduziert und die D-A-Wechselwirkung führt nach Dichtefunk-tionaltheorie-Rechnungen zur Ausbildung eines treppenförmigen Energieniveausystems. Bei diesem wird beim Ladungstransfer eines angeregten Donors (Akzeptors) das Elektron (Loch) über den Grundzustandskomplex auf den Akzeptor (Donor) übertragen, wodurch ein gebundenes Elektron-Loch-Paar gebildet wird. Der Grundzustandskomplex wirkt bei der Bildung des gebundenen Elektron-Loch-Paares als räumlicher Distanzhalter, der den anfänglichen Elektron-Loch-Abstand vergrößert und damit die Rekombination unterdrückt.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2014

Author dc:creator

• Schwarz, Christian

Contributors dc:contributor

• Köhler, Anna

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/33/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:33