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Autor(en): Bruder, Ingmar
Titel: Organic solar cells : correlation between molecular structure, morphology and device performance
Sonstige Titel: Organische Solarzellen : Korrelation zwischen molekularem Aufbau, Morphologie und Bauteil Leistungsfähigkeit
Erscheinungsdatum: 2010
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-50532
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6745
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6728
Zusammenfassung: The development of efficient organic solar cells could be one approach to provide mankind with cheap, sustainable and ecofriendly energy. The introduction of bulk heterojunction and tandem device architectures led recently to devices with power conversion efficiencies close or even higher than n = 6%, showing the potential of organic photovoltaics. Nevertheless, to compete for the foreseeable future to inorganic solar cell technologies, the power conversion efficiencies of organic solar cells have to rise further in the range of 10 % into 15 %. Since the functioning of organic photovoltaics is based on a complex interplay of the electronic properties of its molecular components, it is desirable for an efficient evolution, to identify structural and energetical key characteristics of the molecular components that can lead to efficiency gains. Furthermore, there are virtually no limits for the synthesis of new photoactive materials for the use in organic photovoltaics. Therefore, it is crucial for the device fabrication as well as under a chemical point of view, to narrow potentially promissing classes of molecules and their derivatives under certain physical criteria. One aim of this study was to find and identify so far unknown design criteria for molecules providing high efficiencies in organic solar cells. Thus, the question was raised: What is the physical cause for the differing performance of various metal-phthalocyanines (MPc's with M = Zn, Cu, Ni, Fe) in organic solar cells. Therefore, MPc/C60 based bilayer heterojunction solar cells were fabricated showing a clear dependence of the optimal layer thickness and overall performance on the employed MPc material. Initially, the origin of these differences were explored through structural analysises by AFM and high resolution XRPD measurements on powder and evaporated thin films. The optical properties of the metal phthalocyanines were investigated by solidstate fluorescence and absorption measurements. The lowest excited states of the MPc series were explored by correlated multi-reference ab inito calculations. A high open circuit voltage Voc of a solar cell is a prerequisite for high efficiencies. Unfortunately, the Voc of small molecule based organic solar cells is usually considerably lower than the HOMO-LUMO offset of the device, which determines the theoretical maximum of the Voc in a first approximation. Thus, the question was investigated: What causes the difference between the possible open-circuit voltage and the actual measured voltage and how can this difference be reduced? To answer this question, heterojunction solar cells were produced containing ZnPc or one of the novel synthesized Phenyl-ZnPc, Naphtyl-ZnPc or Anthracenyl-ZnPc as p-conducting and C60 as n-conducting organic layers. By adding the respective aryl substituents to the ZnPc core, the polarizability of the molecules was successively increased. Concurrently, an increase of the Voc from 550 mV to 790 mV by using the highly polarizable Anthracenyl-ZnPc instead of ZnPc was achieved. Quantum mechanical calculations, simulating the charge separation mechanism at the DA-interface of Phenyl-ZnPc/C60 and Naphtyl-ZnPc/C60 showed, that the interplay between characteristic packing and polarization effects could lead to considerably different Coulomb interactions of the electron-hole pairs at the DA-interface. The control of the conduction type and Fermi-level of semiconductors is crucial for the realization of all optoelectronic devices. In inorganic as well as in organic devices this can be achieved by defined doping of appropriate areas within the device. Thus, it has been investigated, how the molecular structure of a dopant should be in order to reduce its diffusivity and increase the evaporation temperature to allow a more efficient processing of the compound. As a result, the novel p-dopant 2,3-di(N-phthalimido)-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (BAPD) was synthesized and compared to the state-of-the-art dopant F4TCNQ. In addition to basic and applied physical questions, I worked on the development of new, efficient solar cell architectures during my PhD thesis. In the course of this work it could be shown, that an efficient organic tandem cell can be prepared from a solid state dye-sensitized solar cell combined with a vacuum-deposited bulk heterojunction solar cell. The complementary absorption of the dyes, as well as an adequate serial connection of both subcells, leads to a high power conversion efficiency of n = (6.0±0.1)% under simulated 100 mW/cm2 AM 1.5 illumination.
Die Entwicklung von effizienten organischen Solarzellen kann ein Ansatz für eine billige, nachhaltige und umweltfreundliche Energieversorgung der Menschheit darstellen. Mit organische "Bulk-Heterojunction"- und Tandem-Solarzellen konnten bereits Effizienzen um n = 6% erreicht werden, was das Potential der organischen Photovoltaik belegt. Um auf absehbare Zeit konkurenzfähig zu anorganischen Technologien zu werden, müssen die Effizienzen von organischen Solarzellen in den Bereich von 10% bis 15% gesteigert werden. Da die Funktionsweise von organischen photovoltaischen Bauteilen auf einem komplexen Zusammenspiel der elektronischen Eigenschaften verschiedenster Moleküle basiert, ist es für eine effiziente Weiterentwicklung notwendig, strukturelle sowie energetische Schlüsseleigenschaften der molekularen Komponenten zu identifizieren, die zu einer nachhaltigen Effizienzsteigerungen führen können. So wurde die Frage aufgegriffen, was die grundsätzlich physikalische Ursache für die unterschiedliche Leistungsfähigkeit von verschiedenen, in der organischen Photovoltaik weit verbreiteten Metall-Phthalocyanine (MPc's mit M = Zn, Cu, Ni, Fe) in organischen Solarzellen ist. Dabei wurden zunächst MPc/C60 basierende ”Heterojunction”-Solarzellen hergestellt. Diese zeigten eine klare Abhängigkeit der optimalen Schichtdicken als auch der Zelleffizienzen von den verwendeten Metall-Phthalocyaninen. Die Ursache für diese Unterschiede wurde als erstes durch Strukturanalysen anhand von AFM und hochauflösende XRPD Messungen an Pulver und aufgedampften dünnen Schichten untersucht. Die optischen Eigenschaften der verschiedenen Metall-Phthalocyanine wurde mit Hilfe von Festkörper-Fluoreszenz- und Absorptions-Messungen untersucht. Die niedrigsten Anregungszustände der MPc-Serie wurde mit Hilfe von korrelierten Multi-Referenz ab initio Rechnungen untersucht. Eine hohe Leerlaufspannung Voc ist eine Grundvoraussetzung für hohe Effizienzen einer Solarzelle. Unglücklicherweise ist die Voc von organischen Solarzellen oft deutlich kleiner als der HOMO-LUMO-Offset innerhalb der Zelle, welcher in erster Nährung das theoretische Maximum der Leerlaufspannung bestimmt. Es wurde der Fragestellung nachgegangen, welche Ursache die Differenz zwischen der möglichen Leerlaufspannung und der tatsächlich gemessener Spannung hat und wie diese Differenz reduziert werden kann. Um diese Frage zu beantworten, wurden zunächst "Heterojunction"-Solarzellen hergestellt. Diese enthielten ZnPc bzw. jeweils das neuentwickelte und synthetisierte Phenyl-ZnPc, Naphtyl-ZnPc oder Anthracenyl-ZnPc als p-Leiter und C60 als n-Leiter. Durch das definierte Anfügen von immer größeren Aryl-Substituenten an den ursprünglichen ZnPc-Kern wurde die Polarisierbarkeit der entsprechenden Moleküle sukzessiv erhöht. Zug um Zug konnte so durch die Benutzung des hoch polarisierbaren Anthracenyl-ZnPc anstatt des reinen ZnPc die Leerlaufspannung der entsprechenden Solarzellen von 550 mV auf 790 mV erhöht werden. Quantenmechanische Berechnungen, die die Ladungstrennung an der DA-Grenzfläche von Phenyl-ZnPc/C60 und Naphtyl-ZnPc/C60 simulieren, zeigten, dass das Wechselspiel zwischen der molekülcharakteristischen Packung und Polarisationseffekten zu deutlich unterschiedlichen Coulombwechselwirkungen der Elektron-Loch Paare an der DA-Grenzfläche führen können. Die Realisierung von stabilen und reproduzierbaren pn-Übergängen, welche den Grundbaustein für fast alle heutigen elektronischen Geräte darstellen, war und ist von entscheidender Bedeutung. In anorganischen wie auch in organischen Bauteilen kann dies durch gezieltes Dotieren von entsprechenden Bereichen bzw. Schichten erreicht werden. So wurde der Frage nachgegangen, wie die molekulare Struktur eines Dotanten aussehen muss, um seine Diffusivität zu verringern und die Verdampfungstemperatur zu erhöhen um eine effizientere Verarbeitung zu ermöglichen. Resultierend aus diesen Überlegungen wurde der neuartige p-Dotant 2,3-di(N-phthalimido)-5,6- dicyano-1,4-benzoquinone (BAPD) synthetisiert und mit dem gängigen p-Dotant F4TCNQ verglichen. Dabei zeigte BAPD eine deutlich erhöhte Verdampfungstemperatur und thermische Stabilität als F4TCNQ. Während meiner Promotion habe ich mich auch mit der Suche und Entwicklung von neuen, effizienten Solarzellen Architekturen beschäftigt. Im Zuge dessen konnte gezeigt werden, dass eine effiziente organische Tandemzelle basierend auf einer Kombination aus einer Feststoff farbstoffsensibilisierten Solarzelle (sDSC) und einer vakuumverdampften "Bulk-Heterojunction"-Solarzelle realisiert werden kann. Die komplementäre Absorption der Farbstoffe als auch die hinreichend gute serielle Verbindung der beiden Subzellen führte zu einer hohen Effizienz von n = (6.0 ± 0.1)% unter simulierter 100 mW/cm2 AM 1.5 Beleuchtung.
Enthalten in den Sammlungen:14 Externe wissenschaftliche Einrichtungen

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