TY - THES A1 - Albrecht, Steve T1 - Generation, recombination and extraction of charges in polymer T1 - Generierung, Rekombination und Extraktion von Ladungen in Polymer BT - fullerene bulk heterojunction solar cells BT - Fulleren Mischsolarzellen N2 - A dramatic efficiency improvement of bulk heterojunction solar cells based on electron-donating conjugated polymers in combination with soluble fullerene derivatives has been achieved over the past years. Certified and reported power conversion efficiencies now reach over 9% for single junctions and exceed the 10% benchmark for tandem solar cells. This trend brightens the vision of organic photovoltaics becoming competitive with inorganic solar cells including the realization of low-cost and large-area organic photovoltaics. For the best performing organic materials systems, the yield of charge generation can be very efficient. However, a detailed understanding of the free charge carrier generation mechanisms at the donor acceptor interface and the energy loss associated with it needs to be established. Moreover, organic solar cells are limited by the competition between charge extraction and free charge recombination, accounting for further efficiency losses. A conclusive picture and the development of precise methodologies for investigating the fundamental processes in organic solar cells are crucial for future material design, efficiency optimization, and the implementation of organic solar cells into commercial products. In order to advance the development of organic photovoltaics, my thesis focuses on the comprehensive understanding of charge generation, recombination and extraction in organic bulk heterojunction solar cells summarized in 6 chapters on the cumulative basis of 7 individual publications. The general motivation guiding this work was the realization of an efficient hybrid inorganic/organic tandem solar cell with sub-cells made from amorphous hydrogenated silicon and organic bulk heterojunctions. To realize this project aim, the focus was directed to the low band-gap copolymer PCPDTBT and its derivatives, resulting in the examination of the charge carrier dynamics in PCPDTBT:PC70BM blends in relation to by the blend morphology. The phase separation in this blend can be controlled by the processing additive diiodooctane, enhancing domain purity and size. The quantitative investigation of the free charge formation was realized by utilizing and improving the time delayed collection field technique. Interestingly, a pronounced field dependence of the free carrier generation for all blends is found, with the field dependence being stronger without the additive. Also, the bimolecular recombination coefficient for both blends is rather high and increases with decreasing internal field which we suggest to be caused by a negative field dependence of mobility. The additive speeds up charge extraction which is rationalized by the threefold increase in mobility. By fluorine attachment within the electron deficient subunit of PCPDTBT, a new polymer F-PCPDTBT is designed. This new material is characterized by a stronger tendency to aggregate as compared to non-fluorinated PCPDTBT. Our measurements show that for F-PCPDTBT:PCBM blends the charge carrier generation becomes more efficient and the field-dependence of free charge carrier generation is weakened. The stronger tendency to aggregate induced by the fluorination also leads to increased polymer rich domains, accompanied in a threefold reduction in the non-geminate recombination coefficient at conditions of open circuit. The size of the polymer domains is nicely correlated to the field-dependence of charge generation and the Langevin reduction factor, which highlights the importance of the domain size and domain purity for efficient charge carrier generation. In total, fluorination of PCPDTBT causes the PCE to increase from 3.6 to 6.1% due to enhanced fill factor, short circuit current and open circuit voltage. Further optimization of the blend ratio, active layer thickness, and polymer molecular weight resulted in 6.6% efficiency for F-PCPDTBT:PC70BM solar cells. Interestingly, the double fluorinated version 2F-PCPDTBT exhibited poorer FF despite a further reduction of geminate and non-geminate recombination losses. To further analyze this finding, a new technique is developed that measures the effective extraction mobility under charge carrier densities and electrical fields comparable to solar cell operation conditions. This method involves the bias enhanced charge extraction technique. With the knowledge of the carrier density under different electrical field and illumination conditions, a conclusive picture of the changes in charge carrier dynamics leading to differences in the fill factor upon fluorination of PCPDTBT is attained. The more efficient charge generation and reduced recombination with fluorination is counterbalanced by a decreased extraction mobility. Thus, the highest fill factor of 60% and efficiency of 6.6% is reached for F-PCPDTBT blends, while 2F-PCPDTBT blends have only moderate fill factors of 54% caused by the lower effective extraction mobility, limiting the efficiency to 6.5%. To understand the details of the charge generation mechanism and the related losses, we evaluated the yield and field-dependence of free charge generation using time delayed collection field in combination with sensitive measurements of the external quantum efficiency and absorption coefficients for a variety of blends. Importantly, both the yield and field-dependence of free charge generation is found to be unaffected by excitation energy, including direct charge transfer excitation below the optical band gap. To access the non-detectable absorption at energies of the relaxed charge transfer emission, the absorption was reconstructed from the CT emission, induced via the recombination of thermalized charges in electroluminescence. For a variety of blends, the quantum yield at energies of charge transfer emission was identical to excitations with energies well above the optical band-gap. Thus, the generation proceeds via the split-up of the thermalized charge transfer states in working solar cells. Further measurements were conducted on blends with fine-tuned energy levels and similar blend morphologies by using different fullerene derivatives. A direct correlation between the efficiency of free carrier generation and the energy difference of the relaxed charge transfer state relative to the energy of the charge separated state is found. These findings open up new guidelines for future material design as new high efficiency materials require a minimum energetic offset between charge transfer and the charge separated state while keeping the HOMO level (and LUMO level) difference between donor and acceptor as small as possible. N2 - Die Effizienz von organischen Mischsolarzellen ist in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuer halbleitender Materialen beträchtlich gestiegen. Die besten organischen Mischsolarzellen zeigen heute sehr effiziente Ladungsgeneration. Dennoch ist die genaue Funktionsweise der fundamentalen Ladungsgenerationsschritte nicht bis ins Detail verstanden. Zur weiteren Steigerung der Wirkungsgrade und für die kommerzielle Nutzung organischer Mischsolarzellen, sind ein übergreifendes Verständnis der Funktionsweise und die Entwicklung neuer Messmethoden unumgänglich. Die vorliegende Arbeit ist auf diese Fragestellung fokussiert: die Arbeit soll helfen, fundierte Kenntnisse der Ladungsträgererzeugung, der Rekombination und der Extraktion freier Ladungsträger in organischen Mischsolarzellen zu erlangen. Zuerst wurde der Fokus auf Mischsolarzellen mit dem Polymer PCPDTBT gelegt. Dieses Polymer durchmischt stark mit dem Fulleren-Derivat PCBM. Durch Verwendung eines Lösungsmitteladditives kann die Phasenentmischung und damit der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. Die Generations- und Rekombinationsprozesse wurden mittels zeitverzögerter Sammelfeld-Methode untersucht. Dabei wurde zum ersten Mal eine signifikante Feldabhängigkeit der Ladungsträger-erzeugung entdeckt. Interessanterweise korreliert diese Feldabhängigkeit mit der Domänengröße also dem Grad der Entmischung. In größeren und reineren Polymerphasen ist die Feldabhängigkeit kleiner und die Extraktion verbessert, was zum höheren Wirkungsgrad führt. In einem weiteren Schritt wurde untersucht, wie sich die Fluorinierung des Polymers PCPDTBT auf das Bauteilverhalten auswirkt. Durch Fluorinierung des Polymer-Rückgrats von PCPDTBT wurden zum einen die Energieniveaus abgesenkt, ohne dass sich das Absorptionsverhalten geändert hat. Zum anderen wurde die Phasenentmischung beeinflusst. Mit Fluorinierung entstehen größere, reinere und kristallinere Polymerphasen. Dadurch wird die Generation der Ladungsträger effizienter und die Rekombination stärker unterdrückt. Eindeutige Korrelationen zwischen Phasengröße und Generationseffizienz konnten hierbei gefunden werden. Insgesamt steigt die Bauteileffizienz bei Verwendung von fluoriniertem PCPDTBT von 3.6 auf 6.1% bei gleicher Prozessierung. Durch weitere Optimierung konnte die Effizienz auf 6.6% für fluoriniertes PCPDTBT gesteigert werden. Eine di-Fluorinierung von PCPDTBT limitiert die Bauteileffizienz, speziell den Füll Faktor, trotz der Entstehung noch reinerer Polymerphasen. Eine genauere Analyse der Extraktionseffizienz mittels der genauen Bestimmung der Gleichgewichts-Ladungsträgerdichte für verschiedenen Beleuchtungs- und Feldsituationen zeigte, dass die Fluorinierung die Effizienz der Extraktion deutlich absenkt und dadurch bei di-Fluorinierung die Rekombinationsverluste im Bauteil trotz verlangsamter Rekombination ansteigen. Um weitere fundierte Kenntnisse der Ladungsgeneration zu gewinnen, wurde die Ladungsgeneration für verschiedene Gemische mit veränderten Energieniveaus in Abhängigkeit der Anregungsenergie untersucht. Dabei wurde die wichtige Kenntnis erlangt, dass die Photonenenergie, unabhängig von der Lage der Energieniveaus, keinen Einfluss auf die Effizienz der Generation hat und somit die Bildung freier Ladungsträger aus relaxierten Transferzuständen erfolgt. Dadurch ergeben sich neue Leitlinien für zukünftige Materialeigenschaften mit optimierten Wirkungsgraden. KW - organic solar cells KW - bulk heterojunction KW - charge carrier dynamics KW - charge generation KW - non geminate recombination KW - Generierung von Ladungsträgern KW - nicht geminale Rekombination KW - Extraktion KW - Polymer KW - Fulleren Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72285 ER - TY - JOUR A1 - Albrecht, Steve A1 - Vandewal, Koen A1 - Tumbleston, John R. A1 - Fischer, Florian S. U. A1 - Douglas, Jessica D. A1 - Frechet, Jean M. J. A1 - Ludwigs, Sabine A1 - Ade, Harald W. A1 - Salleo, Alberto A1 - Neher, Dieter T1 - On the efficiency of charge transfer state splitting in polymer: Fullerene solar cells JF - Advanced materials KW - organic solar cells KW - charge generation KW - geminate recombination KW - charge transfer states KW - driving force KW - excess energy KW - morphology KW - spectroelectrochemistry Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/adma.201305283 SN - 0935-9648 SN - 1521-4095 VL - 26 IS - 16 SP - 2533 EP - 2539 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Alqahtani, Obaid A1 - Babics, Maxime A1 - Gorenflot, Julien A1 - Savikhin, Victoria A1 - Ferron, Thomas A1 - Balawi, Ahmed H. A1 - Paulke, Andreas A1 - Kan, Zhipeng A1 - Pope, Michael A1 - Clulow, Andrew J. A1 - Wolf, Jannic A1 - Burn, Paul L. A1 - Gentle, Ian R. A1 - Neher, Dieter A1 - Toney, Michael F. A1 - Laquai, Frederic A1 - Beaujuge, Pierre M. A1 - Collins, Brian A. T1 - Mixed Domains Enhance Charge Generation and Extraction in Bulk-Heterojunction Solar Cells with Small-Molecule Donors JF - Advanced energy materials N2 - The interplay between nanomorphology and efficiency of polymer-fullerene bulk-heterojunction (BHJ) solar cells has been the subject of intense research, but the generality of these concepts for small-molecule (SM) BHJs remains unclear. Here, the relation between performance; charge generation, recombination, and extraction dynamics; and nanomorphology achievable with two SM donors benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene-pyrido[3,4-b]-pyrazine BDT(PPTh2)(2), namely SM1 and SM2, differing by their side-chains, are examined as a function of solution additive composition. The results show that the additive 1,8-diiodooctane acts as a plasticizer in the blends, increases domain size, and promotes ordering/crystallinity. Surprisingly, the system with high domain purity (SM1) exhibits both poor exciton harvesting and severe charge trapping, alleviated only slightly with increased crystallinity. In contrast, the system consisting of mixed domains and lower crystallinity (SM2) shows both excellent exciton harvesting and low charge recombination losses. Importantly, the onset of large, pure crystallites in the latter (SM2) system reduces efficiency, pointing to possible differences in the ideal morphologies for SM-based BHJ solar cells compared with polymer-fullerene devices. In polymer-based systems, tie chains between pure polymer crystals establish a continuous charge transport network, whereas SM-based active layers may in some cases require mixed domains that enable both aggregation and charge percolation to the electrodes. KW - charge transport KW - domain purity KW - microscopy KW - mixed domains KW - organic solar cells KW - photovoltaic devices KW - resonant X-ray scattering KW - small molecules KW - transient spectroscopy Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201702941 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 8 IS - 19 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Armin, Ardalan A1 - Chen, Zhiming A1 - Jin, Yaocheng A1 - Zhang, Kai A1 - Huang, Fei A1 - Shoaee, Safa T1 - A Shockley-Type polymer BT - Fullerene solar cell JF - Advanced energy materials N2 - Charge extraction rate in solar cells made of blends of electron donating/accepting organic semiconductors is typically slow due to their low charge carrier mobility. This sets a limit on the active layer thickness and has hindered the industrialization of organic solar cells (OSCs). Herein, charge transport and recombination properties of an efficient polymer (NT812):fullerene blend are investigated. This system delivers power conversion efficiency of >9% even when the junction thickness is as large as 800 nm. Experimental results indicate that this material system exhibits exceptionally low bimolecular recombination constant, 800 times smaller than the diffusion-controlled electron and hole encounter rate. Comparing theoretical results based on a recently introduced modified Shockley model for fill factor, and experiments, clarifies that charge collection is nearly ideal in these solar cells even when the thickness is several hundreds of nanometer. This is the first realization of high-efficiency Shockley-type organic solar cells with junction thicknesses suitable for scaling up. KW - charge transport KW - non-Langevin recombination KW - organic solar cells KW - thick junctions Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201701450 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 8 IS - 7 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Benduhn, Johannes A1 - Piersimoni, Fortunato A1 - Londi, Giacomo A1 - Kirch, Anton A1 - Widmer, Johannes A1 - Koerner, Christian A1 - Beljonne, David A1 - Neher, Dieter A1 - Spoltore, Donato A1 - Vandewal, Koen T1 - Impact of triplet excited states on the open-circuit voltage of organic solar cells JF - dvanced energy materials N2 - The best organic solar cells (OSCs) achieve comparable peak external quantum efficiencies and fill factors as conventional photovoltaic devices. However, their voltage losses are much higher, in particular those due to nonradiative recombination. To investigate the possible role of triplet states on the donor or acceptor materials in this process, model systems comprising Zn- and Cu-phthalocyanine (Pc), as well as fluorinated versions of these donors, combined with C-60 as acceptor are studied. Fluorination allows tuning the energy level alignment between the lowest energy triplet state (T-1) and the charge-transfer (CT) state, while the replacement of Zn by Cu as the central metal in the Pcs leads to a largely enhanced spin-orbit coupling. Only in the latter case, a substantial influence of the triplet state on the nonradiative voltage losses is observed. In contrast, it is found that for a large series of typical OSC materials, the relative energy level alignment between T-1 and the CT state does not substantially affect nonradiative voltage losses. KW - charge-transfer states KW - nonradiative voltage losses KW - organic solar cells KW - triplet excited states Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201800451 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 8 IS - 21 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Foertig, Alexander A1 - Kniepert, Juliane A1 - Gluecker, Markus A1 - Brenner, Thomas J. K. A1 - Dyakonov, Vladimir A1 - Neher, Dieter A1 - Deibel, Carsten T1 - Nongeminate and geminate recombination in PTB7: PCBM solar cells JF - Advanced functional materials KW - organic semiconductors KW - organic solar cells KW - conjugated polymers KW - charge carrier recombination Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/adfm.201302134 SN - 1616-301X SN - 1616-3028 VL - 24 IS - 9 SP - 1306 EP - 1311 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Kniepert, Juliane T1 - Correlation between dynamic parameters and device performance of organic solar cells T1 - Zusammenhang zwischen den dynamischen Größen und der Effizienz Organischer Solarzellen N2 - Organic bulk heterojunction (BHJ) solar cells based on polymer:fullerene blends are a promising alternative for a low-cost solar energy conversion. Despite significant improvements of the power conversion efficiency in recent years, the fundamental working principles of these devices are yet not fully understood. In general, the current output of organic solar cells is determined by the generation of free charge carriers upon light absorption and their transport to the electrodes in competition to the loss of charge carriers due to recombination. The object of this thesis is to provide a comprehensive understanding of the dynamic processes and physical parameters determining the performance. A new approach for analyzing the characteristic current-voltage output was developed comprising the experimental determination of the efficiencies of charge carrier generation, recombination and transport, combined with numerical device simulations. Central issues at the beginning of this work were the influence of an electric field on the free carrier generation process and the contribution of generation, recombination and transport to the current-voltage characteristics. An elegant way to directly measure the field dependence of the free carrier generation is the Time Delayed Collection Field (TDCF) method. In TDCF charge carriers are generated by a short laser pulse and subsequently extracted by a defined rectangular voltage pulse. A new setup was established with an improved time resolution compared to former reports in literature. It was found that charge generation is in general independent of the electric field, in contrast to the current view in literature and opposed to the expectations of the Braun-Onsager model that was commonly used to describe the charge generation process. Even in cases where the charge generation was found to be field-dependend, numerical modelling showed that this field-dependence is in general not capable to account for the voltage dependence of the photocurrent. This highlights the importance of efficient charge extraction in competition to non-geminate recombination, which is the second objective of the thesis. Therefore, two different techniques were combined to characterize the dynamics and efficiency of non-geminate recombination under device-relevant conditions. One new approach is to perform TDCF measurements with increasing delay between generation and extraction of charges. Thus, TDCF was used for the first time to measure charge carrier generation, recombination and transport with the same experimental setup. This excludes experimental errors due to different measurement and preparation conditions and demonstrates the strength of this technique. An analytic model for the description of TDCF transients was developed and revealed the experimental conditions for which reliable results can be obtained. In particular, it turned out that the $RC$ time of the setup which is mainly given by the sample geometry has a significant influence on the shape of the transients which has to be considered for correct data analysis. Secondly, a complementary method was applied to characterize charge carrier recombination under steady state bias and illumination, i.e. under realistic operating conditions. This approach relies on the precise determination of the steady state carrier densities established in the active layer. It turned out that current techniques were not sufficient to measure carrier densities with the necessary accuracy. Therefore, a new technique {Bias Assisted Charge Extraction} (BACE) was developed. Here, the charge carriers photogenerated under steady state illumination are extracted by applying a high reverse bias. The accelerated extraction compared to conventional charge extraction minimizes losses through non-geminate recombination and trapping during extraction. By performing numerical device simulations under steady state, conditions were established under which quantitative information on the dynamics can be retrieved from BACE measurements. The applied experimental techniques allowed to sensitively analyse and quantify geminate and non-geminate recombination losses along with charge transport in organic solar cells. A full analysis was exemplarily demonstrated for two prominent polymer-fullerene blends. The model system P3HT:PCBM spincast from chloroform (as prepared) exhibits poor power conversion efficiencies (PCE) on the order of 0.5%, mainly caused by low fill factors (FF) and currents. It could be shown that the performance of these devices is limited by the hole transport and large bimolecular recombination (BMR) losses, while geminate recombination losses are insignificant. The low polymer crystallinity and poor interconnection between the polymer and fullerene domains leads to a hole mobility of the order of 10^-7 cm^2/Vs which is several orders of magnitude lower than the electron mobility in these devices. The concomitant build up of space charge hinders extraction of both electrons and holes and promotes bimolecular recombination losses. Thermal annealing of P3HT:PCBM blends directly after spin coating improves crystallinity and interconnection of the polymer and the fullerene phase and results in comparatively high electron and hole mobilities in the order of 10^-3 cm^2/Vs and 10^-4 cm^2/Vs, respectively. In addition, a coarsening of the domain sizes leads to a reduction of the BMR by one order of magnitude. High charge carrier mobilities and low recombination losses result in comparatively high FF (>65%) and short circuit current (J_SC ≈ 10 mA/cm^2). The overall device performance (PCE ≈ 4%) is only limited by a rather low spectral overlap of absorption and solar emission and a small V_OC, given by the energetics of the P3HT. From this point of view the combination of the low bandgap polymer PTB7 with PCBM is a promising approach. In BHJ solar cells, this polymer leads to a higher V_OC due to optimized energetics with PCBM. However, the J_SC in these (unoptimized) devices is similar to the J_SC in the optimized blend with P3HT and the FF is rather low (≈ 50%). It turned out that the unoptimized PTB7:PCBM blends suffer from high BMR, a low electron mobility of the order of 10^-5 cm^2/Vs and geminate recombination losses due to field dependent charge carrier generation. The use of the solvent additive DIO optimizes the blend morphology, mainly by suppressing the formation of very large fullerene domains and by forming a more uniform structure of well interconnected donor and acceptor domains of the order of a few nanometers. Our analysis shows that this results in an increase of the electron mobility by about one order of magnitude (3 x 10^-4 cm^2/Vs), while BMR and geminate recombination losses are significantly reduced. In total these effects improve the J_SC (≈ 17 mA/cm^2) and the FF (> 70%). In 2012 this polymer/fullerene combination resulted in a record PCE for a single junction OSC of 9.2%. Remarkably, the numerical device simulations revealed that the specific shape of the J-V characteristics depends very sensitively to the variation of not only one, but all dynamic parameters. On the one hand this proves that the experimentally determined parameters, if leading to a good match between simulated and measured J-V curves, are realistic and reliable. On the other hand it also emphasizes the importance to consider all involved dynamic quantities, namely charge carrier generation, geminate and non-geminate recombination as well as electron and hole mobilities. The measurement or investigation of only a subset of these parameters as frequently found in literature will lead to an incomplete picture and possibly to misleading conclusions. Importantly, the comparison of the numerical device simulation employing the measured parameters and the experimental $J-V$ characteristics allows to identify loss channels and limitations of OSC. For example, it turned out that inefficient extraction of charge carriers is a criticical limitation factor that is often disobeyed. However, efficient and fast transport of charges becomes more and more important with the development of new low bandgap materials with very high internal quantum efficiencies. Likewise, due to moderate charge carrier mobilities, the active layer thicknesses of current high-performance devices are usually limited to around 100 nm. However, larger layer thicknesses would be more favourable with respect to higher current output and robustness of production. Newly designed donor materials should therefore at best show a high tendency to form crystalline structures, as observed in P3HT, combined with the optimized energetics and quantum efficiency of, for example, PTB7. N2 - Organische Solarzellen aus Polymer-Fulleren Mischschichten sind eine vielversprechende Alternative für eine kostengünstige Quelle erneuerbarer Energien. Jedoch sind trotz intensiver Forschung und bedeutenden Verbesserungen der Effizienzen während der letzten Jahre, die fundamentalen Prozesse in diesen Solarzellen noch immer nicht vollständig verstanden. Im Allgemeinen wird der Photostrom in organischen Solarzellen durch die Generation freier Ladungsträger nach Absorption von Licht und dem anschliessenden Transport dieser Ladungsträger zu den Elektroden bestimmt, wobei ein Teil durch Rekombination verloren geht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, zu einem umfassenden Verständnis aller dynamischen Prozesse und relevanten physikalischen Parameter und deren Zusammenhang mit der Solarzelleneffizienz beizutragen. Dabei wurde eine neue Herangehensweise zur Analyse der Strom-Spannungskennlinien entwickelt, die auf der experimentellen Bestimmung von Ladungsträgergeneration, Rekombination und Transport im Vergleich mit numerischen Simulationen beruht. Die zentralen Fragestellungen zu Beginn der Arbeit waren, in welchem Masse die Ladungsträgergeneration von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt und in wie weit die einzelnen Prozesse Generation, Rekombination und Transport zum charakteristischen Verlauf der Strom-Spannungskennlinie beitragen. Eine elegante Methode um direkt die Feldabhängigkeit der Ladungsträgergeneration zu bestimmen, ist die Time Delayed Collection Field (TDCF) Methode. Dabei werden in der Solarzelle Ladungsträger mit einem kurzen Laserpuls erzeugt und anschliessend mit einem wohldefinierten rechteckigen Spannungspuls extrahiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Versuchsaufbau mit stark verbesserter Zeitauflösung im Vergleich zu vorangegangenen Arbeiten aufgebaut. Es hat sich gezeigt, dass die Generation im Allgemeinen nicht vom elektrischen Feld abhängt. Dies steht im Widerspruch zu dem in der Literatur häufig verwendeten Braun-Onsager Modell zur Beschreibung der Ladungsgeneration. Selbst in Fällen, in denen eine feldabhängige Generation gemessen wurde, reichte diese im Allgemeinen nicht aus, um die Spannungsabhängigkeit des Photostroms in diesen Zellen zu erklären. Dies führt zu der zunehmenden Bedeutung einer effizienten Ladungsextraktion in Konkurrenz zur nicht-geminalen Rekombination, welche die zweite wichtige Fragestellung in dieser Arbeit war. Dazu wurden zwei neue Herangehensweisen zur Messung der Rekombinationsdynamik unter Solarzellen-relevanten Messbedingungen erarbeitet. Zum Einen wurde zum ersten Mal TDCF zur Messung von Rekombination und Transport verwendet. Der Vorteil ist, dass die Messung aller drei relevanten Prozesse in einem Versuchsaufbau zu einer höheren Genauigkeit führt, da experimentelle Fehler durch unterschiedliche Probenpräparation und Messbedingungen ausgeschlossen werden können. Es wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung der TDCF Transienten entwickelt, welches direkt Rückschlüsse auf die notwendigen Messbedingungen erlaubt, unter denen zuverlässige Ergebnisse erzielt werden können. Insbesondere hat sich dabei gezeigt, dass die RC-Zeit des Aufbaus, die hauptsächlich durch die Probengeometrie bestimmt wird, einen wesentlichen Einfluss auf die Transienten hat, welcher in der Datenauswertung nicht vernachlässigt werden darf. Zum Anderen wurde eine komplementäre Methode zur Messung der Rekombination im Gleichgewicht benutzt, die auf der genauen Bestimmung der statischen Ladungsträgerdichte unter Beleuchtung basiert. Es zeigte sich, dass die in der Literatur etablierten Methoden zur Ladungsträgerbestimmung nicht ausreichend genau waren. Daher wurde eine neue, sensitive Technik entwickelt, die Bias Assisted Charge Extraction (BACE) Methode. Dabei werden die unter kontinuierlicher Beleuchtung generierten Ladungsträger mit einem hohen angelegten elektrischen Feld extrahiert. Dies führt zu einer beschleunigten Extraktion im Vergleich zur konventionellen Charge Extraction Methode, welche die Verluste durch Rekombination und Trapping deutlich reduziert. Mit Hilfe von numerischen Simulationen wurden Bedingungen festgelegt, unter denen zuverlässige Messungen mit BACE möglich sind. Mit den vorgestellten Methoden können alle relevanten Parameter für Generation, Rekombination und Transport experimentell sehr genau bestimmt und analysiert werden. Dies wurde exemplarisch für zwei in der Literatur bedeutende Materialsysteme durchgeführt. Das Modellsystem P3HT:PCBM, hergestellt aus dem Lösungsmittel Chloroform, weist direkt nach der Präparation nur sehr niedrige Effizienzen im Bereich von 0.5% auf, die vor allem durch niedrige Ströme und Füllfaktoren (FF) gekennzeichnet sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Effizienz dieser Zellen durch den sehr langsamen Lochtransport und die starke bimolekulare Rekombination begrenzt wird, während Verluste durch geminale Rekombination eher unbedeutend sind. Eine geringe Kristallinität des Polymers und schlechte Verbindungen zwischen den Polymerdomänen führt zu einer Lochmobilität von nur 10^7 cm^2/Vs. Diese ist mehrere Grössenordnungen kleiner als die Elektronenmobilität in diesen Zellen, was den Aufbau von Raumladungen zur Folge hat und damit die Extraktion von beiden Ladungsträgern behindert und bimolekulare Rekombination begünstigt. Die thermische Behandlung der P3HT:PCBM Proben direkt nach dem Spin Coating verbessert sowohl die Kristallinität als auch die Vernetzung der Polymer- und Fullerenphasen. Dies führt zu vergleichsweise hohen Mobilitäten für Elektronen (10^3 cm^2/Vs) und Löcher (10^4 cm^2/Vs). Zusätzlich reduziert eine Vergrösserung der Domänenstruktur die bimolekulare Rekombination um eine Grössenordnung. Die hohen Mobilitäten und niedrigen Rekombinationverluste resultieren in vergleichsweise hohen FF (> 65%) und Strömen (J_SC ≈ 10 mA/cm^2). Die Effizienz (≈ 4%) wird dabei nur durch den eher geringen spektralen Überlapp zwischen Absorptions- und Sonnenemissionsspektrum begrenzt und einer geringen Leerlaufspannung (V_OC), verursacht durch die ungünstige Energetik des P3HT. Aus dieser Perspektive ist die Kombination des Low-Bandgap Polymers PTB7 mit dem Fullerenderivat PCBM ein vielversprechender Ansatz. Aufgrund der angepassten Energetik führt diese Kombination in Mischschichtsolarzellen zu einer höheren V_OC. Jedoch ist der Kurzschlussstrom (J_SC) in den unoptimierten Zellen gegenüber dem der optimierten P3HT:PCBM Zellen nicht erhöht und die FF sind niedrig (≈ 50%). Die Untersuchungen ergaben, dass die Dynamik in den unoptimierten PTB7:PCBM Zellen durch hohe bimolekulare Rekombination (BMR), eine niedrige Elektronenmobilität im Bereich von 10^5 cm^2/Vs und nicht-geminalen Rekombinationsverslusten aufgrund einer feldabhängigen Generation geprägt ist. Die Zugabe des Lösungsmitteladditivs DIO bei der Probenpräparation optimiert die Morphologie in der Schicht. Dabei wird hauptsächlich die Formation von sehr grossen Fullerendomänen unterdrückt und eine gleichmässige Struktur von gut vernetzten, nanometergrossen Donor- und Akzeptordomänen ausgebildet. Unsere Analyse zeigt, dass dadurch die Elektronenmobilität um ca eine Grössenordnung erhöht wird (auf 3 x 10^4 cm^2/Vs), während BMR und geminale Rekombination deutlich unterdrückt werden. Zusammen genommen verbessern diese Effekte sowohl den J_SC (≈ 17 mA/cm^2) als auch den FF (> 70%). Im Jahr 2012 führten die optimierten PTB7:PCBM Solarzellen damit zu einer Rekordeffizienz für organische Solarzellen von 9.2%. Von grösserer Bedeutung ist jedoch, dass der Vergleich zwischen den gemessenen und simulierten Strom-Spannungskennlinien, mit experimentell bestimmten Eingangsparametern, Rückschlüsse auf die entsprechenden Verlustkanäle in den jeweiligen Solarzellen erlaubt. Hierbei zeigte sich, dass die effiziente Extraktion von Ladungsträgern ein kritischer Faktor ist, der in der Literatur oft unterschätzt wird. Der effiziente und schnelle Transport von Ladungen wird aber gerade im Hinblick auf neue Low-Bandgap Materialien mit sehr hohen internen Quanteneffizienzen immer wichtiger. Moderate Mobilitäten limitieren die möglichen Schichtdicken auf ca 100 nm. Grössere Schichtdicken wären jedoch vorteilhafter im Hinblick auf höhere Ausgangsströme und der Robustheit des Produktionsprozesses. Neu entwickelte Donormaterialien sollten daher sowohl möglichst kristalline Strukturen ausbilden mit einhergehenden hohen Mobilitäten, wie beim P3HT, als auch optimierte Energieniveaus und Quanteneffizienzen aufweisen, wie beispielsweise PTB7. KW - organic solar cells KW - optoelectronic measurements KW - transient methods KW - numeric device simulations KW - organische Solarzellen KW - optoelektronische Messungen KW - transiente Messmethoden KW - numerische Bauteilsimulationen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90087 ER - TY - THES A1 - Kurpiers, Jona T1 - Probing the pathways of free charge generation and recombination in organic solar cells T1 - Pfade der Generierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen BT - the role of excess energy and dispersive effects BT - die Rolle von Überschussenergie und dispersiven Effekten N2 - Organic semiconductors are a promising class of materials. Their special properties are the particularly good absorption, low weight and easy processing into thin films. Therefore, intense research has been devoted to the realization of thin film organic solar cells (OPVs). Because of the low dielectric constant of organic semiconductors, primary excitations (excitons) are strongly bound and a type II heterojunction needs to be introduced to split these excitations into free charges. Therefore, most organic solar cells consist of at least an electron donor and electron acceptor material. For such donor acceptor systems mainly three states are relevant; the photoexcited exciton on the donor or acceptor material, the charge transfer state at the donor-acceptor interface and the charge separated state of a free electron and hole. The interplay between these states significantly determines the efficiency of organic solar cells. Due to the high absorption and the low charge carrier mobilities, the active layers are usually thin but also, exciton dissociation and free charge formation proceeds rapidely, which makes the study of carrier dynamics highly challenging. Therefore, the focus of this work was first to install new experimental setups for the investigation of the charge carrier dynamics in complete devices with superior sensitivity and time resolution and, second, to apply these methods to prototypical photovoltaic materials to address specific questions in the field of organic and hybrid photovoltaics. Regarding the first goal, a new setup combining transient absorption spectroscopy (TAS) and time delayed collection field (TDCF) was designed and installed in Potsdam. An important part of this work concerned the improvement of the electronic components with respect to time resolution and sensitivity. To this end, a highly sensitive amplifier for driving and detecting the device response in TDCF was developed. This system was then applied to selected organic and hybrid model systems with a particular focus on the understanding of the loss mechanisms that limit the fill factor and short circuit current of organic solar cells. The first model system was a hybrid photovoltaic material comprising inorganic quantum dots decorated with organic ligands. Measurements with TDCF revealed fast free carrier recombination, in part assisted by traps, while bias-assisted charge extraction measurements showed high mobility. The measured parameters then served as input for a successful description of the device performance with an analytical model. With a further improvement of the instrumentation, a second topic was the detailed analysis of non-geminate recombination in a disordered polymer:fullerene blend where an important question was the effect of disorder on the carrier dynamics. The measurements revealed that early time highly mobile charges undergo fast non-geminate recombination at the contacts, causing an apparent field dependence of free charge generation in TDCF experiments if not conducted properly. On the other hand, recombination the later time scale was determined by dispersive recombination in the bulk of the active layer, showing the characteristics of carrier dynamics in an exponential density of state distribution. Importantly, the comparison with steady state recombination data suggested a very weak impact of non-thermalized carriers on the recombination properties of the solar cells under application relevant illumination conditions. Finally, temperature and field dependent studies of free charge generation were performed on three donor-acceptor combinations, with two donor polymers of the same material family blended with two different fullerene acceptor molecules. These particular material combinations were chosen to analyze the influence of the energetic and morphology of the blend on the efficiency of charge generation. To this end, activation energies for photocurrent generation were accurately determined for a wide range of excitation energies. The results prove that the formation of free charge is via thermalized charge transfer states and does not involve hot exciton splitting. Surprisingly, activation energies were of the order of thermal energy at room temperature. This led to the important conclusion that organic solar cells perform well not because of predominate high energy pathways but because the thermalized CT states are weakly bound. In addition, a model is introduced to interconnect the dissociation efficiency of the charge transfer state with its recombination observable with photoluminescence, which rules out a previously proposed two-pool model for free charge formation and recombination. Finally, based on the results, proposals for the further development of organic solar cells are formulated. N2 - Organische Halbleiter sind eine vielversprechende Materialklasse. Ihre besonderen Eigenschaften sind die gute Absorption, das geringe Gewicht und die einfache Verarbeitung zu dünnen Filmen. Daher wird intensiv an der Realisierung organischer Dünnschichtsolarzellen (OPVs) geforscht. Aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante organischer Halbleiter sind primäre Anregungen (Exzitonen) jedoch stark gebunden, und es muss ein Typ II-Heteroübergang eingeführt werden, um diese Anregungen in freie Ladungen zu trennen. Daher bestehen die meisten organischen Solarzellen aus mindestens einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptormaterial. Für solche Donator-Akzeptorsysteme sind hauptsächlich drei Zustünde relevant; das Exziton auf dem Donator- oder Akzeptormaterial, der Ladungstransferzustand an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche und der ladungsgetrennte Zustand eines freien Elektrons und Lochs. Das Zusammenspiel dieser Zustände bestimmt maßgeblich die Effizienz organischer Solarzellen. Aufgrund der hohen Absorption und der geringen Ladungsträgermobilitäten sind die aktiven Schichten dünn, aber auch die Exzitonendissoziation und die Bildung freier Ladung findet auf kurzen Zeitskalen statt, was die Analyse der Ladungsträgerdynamik erschwert. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen daher zunächst die Installation neuer Versuchsaufbauten zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in optimierten Solarzellen mit überlegener Empfindlichkeit und Zeitauflösung sowie die Anwendung dieser Methoden auf prototypische photovoltaische Materialien. Im Hinblick auf das erste Ziel wurde ein neuer Aufbau, der optische Methoden wie die zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie (TAS) mit optolektronischen Methoden, wie die zeitaufgelöste Ladungsextraktion (TDCF) kombiniert. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Verbesserung der elektronischen Komponenten hinsichtlich der Zeitauflösung und Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck wurde ein hochempfindlicher Verstärker zur Ansteuerung und Detektion der Probenantwort in TDCF entwickelt. Dieser Versuchsaufbau wurde im Folgenden auf verschiedene Modellsysteme angewendet, mit besonderem Fokus auf dem Verständnis der Verlustmechanismen, die den Füllfaktor und den Kurzschlussstrom organischer Solarzellen limittieren. Das erste Modellsystem ist ein hybrides Material, das aus anorganischen Quantenpunkten mit organischen Liganden besteht. Messungen mit TDCF ergaben eine schnelle Rekombination freier Ladungsträger, die teilweise durch Fallen unterstützt wurde, während Ladungsextraktionsexperimente unter quasi-konstanter Beleuchtung eine hohe Mobilität zeigten. Mit den gemessenen Parametern konnte die Kennlinie gut mit einem analytischen Modell beschrieben werden. Mit einer weiteren Verbesserung des Aufbaus konnte ein zweites Thema, die detaillierte Analyse der nicht-geminalen Rekombination in einer ungeordneten Polymer-Fulleren-Mischung bearbeitet werden. Die Messungen zeigten, dass hochmobilen Ladungen zu frühen Zeiten eine schnelle, nicht-geminale Rekombination an den Kontakten durchlaufen, was eine scheinbare Feldabhängigkeit der Generierung freier Ladung in TDCF-Experimenten verursachen kann. Andererseits wurde die Rekombination auf längeren Zeitskalen durch dispersive Rekombination in der aktiven Schicht bestimmt, wobei die Ursache der Ladungsträgerdynamik in einer exponentiellen Verteilung der Zustandsdichte liegt. Der Vergleich mit Rekombinationsdaten im stationären Zustand ergab einen sehr schwachen Einfluss nicht-thermalisierter Ladungsträger auf die Rekombinationseigenschaften der Solarzellen unter anwendungsrelevanten Bedingungen. Schließlich wurden temperatur- und feldabhängige Studien zur Erzeugung freier Ladung an drei Donator-Akzeptor-Kombinationen durchgeführt, wobei zwei Donatorpolymere der gleichen Materialfamilie mit zwei verschiedenen Fulleren-Akzeptormolekülen gemischt wurden. Diese besonderen Materialkombinationen wurden ausgewählt, um den Einfluss der Energetik und Morphologie der Mischung auf die Effizienz der Ladungserzeugung zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden die Aktivierungsenergien für die Photostromerzeugung für einen weiten Bereich von Anregungsenergien genau bestimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Bildung freier Ladungen über thermalisierte Ladungstransferzustände erfolgt und keine Aufspaltung mit heißen Exzitonen beinhaltet. Überraschenderweise sind die Aktivierungsenergien vergleichbar mit der thermischen Energie bei Raumtemperatur. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass organische Solarzellen nicht aufgrund von hochenergetischen Pfaden gut funktionieren, sondern weil die thermalisierten Ladungstransferzustände schwach gebunden sind. Darüber hinaus wird ein Modell eingeführt, um die Dissoziationseffizienz des Ladungstransferzustands mit seiner mit Photolumineszenz beobachtbaren Rekombination zu verbinden, wodurch ein zuvor vorgeschlagenes Zwei-Pool-Modell für die Bildung und Rekombination von freien Ladungen ausgeschlossen wird. Abschließend werden auf Basis der Ergebnisse Vorschläge zur Weiterentwicklung organischer Solarzellen formuliert. KW - organic solar cells KW - time resolved pump probe spectroscopy Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429099 ER - TY - JOUR A1 - Love, John A. A1 - Chou, Shu-Hua A1 - Huang, Ye A1 - Bazan, Guillermo C. A1 - Thuc-Quyen Nguyen, T1 - Effects of solvent additive on "s-shaped" curves in solution-processed small molecule solar cells JF - Beilstein journal of organic chemistry N2 - A novel molecular chromophore, p-SIDT(FBTThCA8)(2), is introduced as an electron-donor material for bulk heterojunction (BHJ) solar cells with broad absorption and near ideal energy levels for the use in combination with common acceptor materials. It is found that films cast from chlorobenzene yield devices with strongly s-shaped current-voltage curves, drastically limiting performance. We find that addition of the common solvent additive diiodooctane, in addition to facilitating crystallization, leads to improved vertical phase separation. This yields much better performing devices, with improved curve shape, demonstrating the importance of morphology control in BHJ devices and improving the understanding of the role of solvent additives. KW - current voltage analysis KW - morphology KW - organic solar cells Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.3762/bjoc.12.249 SN - 1860-5397 VL - 12 SP - 2543 EP - 2555 PB - Beilstein-Institut zur Förderung der Chemischen Wissenschaften CY - Frankfurt, Main ER - TY - JOUR A1 - Nikolis, Vasileios C. A1 - Benduhn, Johannes A1 - Holzmueller, Felix A1 - Piersimoni, Fortunato A1 - Lau, Matthias A1 - Zeika, Olaf A1 - Neher, Dieter A1 - Koerner, Christian A1 - Spoltore, Donato A1 - Vandewal, Koen T1 - Reducing Voltage Losses in Cascade Organic Solar Cells while Maintaining High External Quantum Efficiencies JF - dvanced energy materials N2 - High photon energy losses limit the open-circuit voltage (V-OC) and power conversion efficiency of organic solar cells (OSCs). In this work, an optimization route is presented which increases the V-OC by reducing the interfacial area between donor (D) and acceptor (A). This optimization route concerns a cascade device architecture in which the introduction of discontinuous interlayers between alpha-sexithiophene (alpha-6T) (D) and chloroboron subnaphthalocyanine (SubNc) (A) increases the V-OC of an alpha-6T/SubNc/SubPc fullerene-free cascade OSC from 0.98 V to 1.16 V. This increase of 0.18 V is attributed solely to the suppression of nonradiative recombination at the D-A interface. By accurately measuring the optical gap (E-opt) and the energy of the charge-transfer state (E-CT) of the studied OSC, a detailed analysis of the overall voltage losses is performed. E-opt - qV(OC) losses of 0.58 eV, which are among the lowest observed for OSCs, are obtained. Most importantly, for the V-OC-optimized devices, the low-energy (700 nm) external quantum efficiency (EQE) peak remains high at 79%, despite a minimal driving force for charge separation of less than 10 meV. This work shows that low-voltage losses can be combined with a high EQE in organic photovoltaic devices. KW - energy losses KW - nonradiative recombination KW - open-circuit voltage KW - organic solar cells KW - voltage losses Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201700855 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 7 SP - 122 EP - 136 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER -