TY  - THES
A1  - Perdigón-Toro, Lorena
T1  - On the Generation and Fate of Free Carriers in Non-Fullerene Acceptor Organic Solar Cells
N2  - Organic solar cells offer an efficient and cost-effective alternative for solar energy harvesting. This type of photovoltaic cell typically consists of a blend of two organic semiconductors, an electron donating polymer and a low molecular weight electron acceptor to create what is known as a bulk heterojunction (BHJ) morphology. Traditionally, fullerene-based acceptors have been used for this purpose. In recent years, the development of new acceptor molecules, so-called non-fullerene acceptors (NFA), has breathed new life into organic solar cell research, enabling record efficiencies close to 19%. Today, NFA-based solar cells are approaching their inorganic competitors in terms of photocurrent generation, but lag in terms of open circuit voltage (V_OC). Interestingly, the V_OC of these cells benefits from small offsets of orbital energies at the donor-NFA interface, although previous knowledge considered large energy offsets to be critical for efficient charge carrier generation. In addition, there are several other electronic and structural features that distinguish NFAs from fullerenes.
My thesis focuses on understanding the interplay between the unique attributes of NFAs and the physical processes occurring in solar cells. By combining various experimental techniques with drift-diffusion simulations, the generation of free charge carriers as well as their recombination in state-of-the-art NFA-based solar cells is characterized. For this purpose, solar cells based on the donor polymer PM6 and the NFA Y6 have been investigated. The generation of free charge carriers in PM6:Y6 is efficient and independent of electric field and excitation energy. Temperature-dependent measurements show a very low activation energy for photocurrent generation (about 6 meV), indicating barrierless charge carrier separation. Theoretical modeling suggests that Y6 molecules have large quadrupole moments, leading to band bending at the donor-acceptor interface and thereby reducing the electrostatic Coulomb dissociation barrier. In this regard, this work identifies poor extraction of free charges in competition with nongeminate recombination as a dominant loss process in PM6:Y6 devices. Subsequently, the spectral characteristics of PM6:Y6 solar cells were investigated with respect to the dominant process of charge carrier recombination. It was found that the photon emission under open-circuit conditions can be almost entirely attributed to the occupation and recombination of Y6 singlet excitons. Nevertheless, the recombination pathway via the singlet state contributes only 1% to the total recombination, which is dominated by the charge transfer state (CT-state) at the donor-acceptor interface. Further V_OC gains can therefore only be expected if the density and/or recombination rate of these CT-states can be significantly reduced. Finally, the role of energetic disorder in NFA solar cells is investigated by comparing Y6 with a structurally related derivative, named N4. Layer morphology studies combined with temperature-dependent charge transport experiments show significantly lower structural and energetic disorder in the case of the PM6:Y6 blend. For both PM6:Y6 and PM6:N4, disorder determines the maximum achievable V_OC, with PM6:Y6 benefiting from improved morphological order. Overall, the obtained findings point to avenues for the realization of NFA-based solar cells with even smaller V_OC losses. Further reduction of nongeminate recombination and energetic disorder should result in organic solar cells with efficiencies above 20% in the future.
N2  - Organische Solarzellen bieten eine effiziente und kostengünstige Alternative für die Nutzung von Sonnenenergie. Bei dieser Art von Photovoltaikzellen werden in der Regel zwei organische Halbleiter, ein elektronenspendendes Polymer und ein niedermolekularer Elektronenakzeptor gemischt, um eine sogenannte „Bulk-Heterojunction“ (BHJ)-Morphologie zu erzeugen. Traditionell wurden hierfür Fulleren-basierte Akzeptoren verwendet. In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Akzeptor-Moleküle, so genannter Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA), der organischen Solarzellenforschung neues Leben eingehaucht und damit Rekordwirkungsgrade >19 % ermöglicht. Heutzutage nähern sich NFA-basierte Solarzellen ihren anorganischen Konkurrenten bezüglich der Photostromerzeugung an, nicht jedoch im Hinblick auf die Leerlaufspannung (V_OC). Interessanterweise profitiert der V_OC dieser Zellen von kleinen Offsets der Orbitalenergien an der Donor-NFA-Grenzfläche, obwohl nach bisherigem Wissen große Energieoffsets als entscheidend für die effiziente Ladungsträgergenerierung an der Heterogrenzfläche galten. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer elektronischer und struktureller Merkmale, die NFAs von Fullerenen unterscheiden.
Meine Dissertation konzentriert sich auf ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenspiels der einzigartigen Eigenschaften von NFAs und den physikalischen Prozessen in daraus hergestellten Solarzellen. Durch die Kombination verschiedener experimenteller Techniken mit Drift-Diffusions-Simulationen wird die Erzeugung freier Ladungsträger sowie deren Rekombination in modernen NFA-basierten Solarzellen charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Solarzellen auf Basis des Donor-Polymers PM6 und des NFA Y6 untersucht. Die Erzeugung freier Ladungsträger in PM6:Y6 erweist sich dabei als effizient und unabhängig von elektrischem Feld und Anregungsenergie. Temperaturabhängige Messungen zeigen eine sehr geringe Aktivierungsenergie für die Photostromerzeugung (ca. 6 meV), was auf eine barrierefreie Ladungsträgertrennung hinweist. Theoretische Modellierungen legen nahe, dass Y6-Moleküle große Quadrupolmomente aufweisen, was zu einer Bandverbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche führt und dabei die elektrostatische Coulombsch-Dissoziationsbarriere reduziert. In dieser Hinsicht identifiziert diese Arbeit die schlechte Extraktion freier Ladungen in Konkurrenz zur „nongeminalen“ Rekombination als einen dominanten Verlustprozess in PM6:Y6 Zellen. In weiterer Folge wurden die spektralen Eigenschaften von PM6:Y6-Solarzellen im Hinblick auf den dominanten Prozess der Ladungsträgergenerierung und rekombination untersucht. Es zeigte sich, dass die Photonenemission unter Leerlaufbedingungen fast vollständig auf die Besetzung und Rekombination von Y6-Singlet-Exzitonen zurückgeführt werden kann. Trotzdem trägt der Rekombinationspfad über den Singlett-Zustand nur zu 1 % zur gesamten Rekombination bei, die über den Ladungstransfer-Zustand (CT-state) an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche dominiert wird. Weitere V_OC Gewinne sind daher nur zu erwarten, wenn die Dichte und/oder die Rekombinationsrate dieser CT-Zustände erheblich reduziert werden kann. Schließlich wird die Rolle der energetischen Unordnung in NFA-Solarzellen durch den Vergleich von Y6 mit einem strukturverwandten Derivat, genannt N4, untersucht. Untersuchungen zur Schichtmorphologie in Kombination mit Experimenten zum temperaturabhängigen Ladungstransport zeigen eine deutlich geringere strukturelle und energetische Unordnung im Fall des PM6:Y6 Blends. Sowohl für PM6:Y6 als auch für PM6:N4 bestimmt die Unordnung den maximal erreichbaren V_OC, wobei PM6:Y6 von der verbesserten morphologischen Ordnung profitiert. Insgesamt weisen die gewonnenen Erkenntnisse Wege für die Realisierung von NFA-basierten Solarzellen mit noch kleineren V_OC-Verlusten auf. Durch die weitere Reduzierung der „nongeminaten“ Rekombination als auch der energetischen Unordnung sollten in Zukunft organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 20 % möglich werden.
T2  - Über die Photogenerierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren
KW  - organic solar cells
KW  - non-fullerene acceptors
KW  - free charge generation
KW  - free charge recombination
KW  - energetic disorder
KW  - organic semiconductors
KW  - energetische Unordnung
KW  - Generierung freier Ladungsträger
KW  - freie Ladungsträger Rekombination
KW  - Nicht-Fulleren-Akzeptoren
KW  - organische Halbleiter
KW  - organische Solarzellen
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558072
ER  - 
TY  - THES
A1  - Roland, Steffen
T1  - Charge carrier recombination and open circuit voltage in organic solar cells
T1  - Ladungsträger Rekombination und Leerlaufspannung in organischen Solarzellen
BT  - from bilayer-model systems to hybrid multi-junctions
BT  - von Bilayer Modellsystemen zu hybriden Mehrschichtsolarzellen
N2  - Tremendous progress in the development of thin film solar cell techniques has been made over the last decade. The field of organic solar cells is constantly developing, new material classes like Perowskite solar cells are emerging and different types of hybrid organic/inorganic material combinations are being investigated for their physical properties and their applicability in thin film electronics. Besides typical single-junction architectures for solar cells, multi-junction concepts are also being investigated as they enable the overcoming of theoretical limitations of a single-junction. In multi-junction devices each sub-cell operates in different wavelength regimes and should exhibit optimized band-gap energies. It is exactly this tunability of the band-gap energy that renders organic solar cell materials interesting candidates for multi-junction applications. Nevertheless, only few attempts have been made to combine inorganic and organic solar cells in series connected multi-junction architectures. Even though a great diversity of organic solar cells exists nowadays, their open circuit voltage is usually low compared to the band-gap of the active layer. Hence, organic low band-gap solar cells in particular show low open circuit voltages and the key factors that determine the voltage losses are not yet fully understood. Besides open circuit voltage losses the recombination of charges in organic solar cells is also a prevailing research topic, especially with respect to the influence of trap states.
The exploratory focus of this work is therefore set, on the one hand, on the development of hybrid organic/inorganic multi-junctions and, on the other hand, on gaining a deeper understanding of the open circuit voltage and the recombination processes of organic solar cells.

In the first part of this thesis, the development of a hybrid organic/inorganic triple-junction will be discussed which showed at that time (Jan. 2015) a record power conversion efficiency of 11.7%. The inorganic sub-cells of these devices consist of hydrogenated amorphous silicon and were delivered by the Competence Center Thin-Film and Nanotechnology for Photovoltaics in Berlin. Different recombination contacts and organic sub-cells were tested in conjunction with these inorganic sub-cells on the basis of optical modeling predictions for the optimal layer thicknesses to finally reach record efficiencies for this type of solar cells.
In the second part, organic model systems will be investigated to gain a better understanding of the fundamental loss mechanisms that limit the open circuit voltage of organic solar cells. First, bilayer systems with different orientation of the donor and acceptor molecules were investigated to study the influence of the donor/acceptor orientation on non-radiative voltage loss. Secondly, three different bulk heterojunction solar cells all comprising the same amount of fluorination and the same polymer backbone in the donor component were examined to study the influence of long range electrostatics on the open circuit voltage. Thirdly, the device performance of two bulk heterojunction solar cells was compared which consisted of the same donor polymer but used different fullerene acceptor molecules. By this means, the influence of changing the energetics of the acceptor component on the open circuit voltage was investigated and a full analysis of the charge carrier dynamics was presented to unravel the reasons for the worse performance of the solar cell with the higher open circuit voltage. In the third part, a new recombination model for organic solar cells will be introduced and its applicability shown for a typical low band-gap cell. This model sheds new light on the recombination process in organic solar cells in a broader context as it re-evaluates the recombination pathway of charge carriers in devices which show the presence of trap states. Thereby it addresses a current research topic and helps to resolve alleged discrepancies which can arise from the interpretation of data derived by different measurement techniques.
N2  - In der Photovoltaikforschung spielen neuartige Dünnschichtsolarzellen eine immer größere Rolle. Neben innovativen Design und Anwendungskonzepten sind Material und Kostenreduzierung in der Herstellung die größten Triebfedern für die Entwicklung neuer Technologien. Hier sind neben den vielversprechenden Perowskitsolarzellen insbesondere organische Solarzellen zu nennen, die sich durch ihre chemische Vielseitigkeit, einfache Verarbeitung und stetige Weiterentwicklung in Bezug auf ihre Effizienz auszeichnen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht die Herstellung organischer Solarzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, was wiederum Vorteile für den Einsatz in seriengeschaltete Mehrschichtsolarzellen bietet. Diese erlauben es, fundamentale Limitierungen von Einschichtsolarzellsystemen zu überwinden.
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung einer neuartigen hybriden Multischichtsolarzelle, die sowohl aus anorganischen als auch organischen Subzellen besteht und zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung einen neuen Effizienzrekord für diese Klasse von Solarzellen aufzeigte. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit fundamentalen physikalischen Prozessen in organischen Solarzellen, da viele Funktionsmechanismen noch nicht im Detail geklärt sind. An verschiedenen organischen Modellsolarzellsystemen wurde daher unter anderem der Einfluss molekularer Orientierung von Donor- und Akzeptorkomponenten der Solarzelle oder der Einfluss von Fluorinierung des Donors auf die Leerlaufspannung der Solarzelle untersucht. Auf diese Weise konnten neue wichtige Erkenntnisse über den Einfluss von verschiedenen Verlustkanälen und der Energetik auf die Leerlaufspannung gewonnen werden. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung eines neuen Modells, welches den Rekombinationsprozess von Ladungen in einer bestimmten organischen Solarzelle beschreibt. Dieses neue Modell wurde anhand umfangreicher Experimente validiert und ermöglicht es, insbesondere den Einfluss freier und in sogenannten Fallenzuständen gefangener Ladungen auf die Rekombination zu trennen. Damit hat dieses Modell eine weitreichende Bedeutung, zum einen für die Beurteilung von typischen Rekombinationsexperimenten in organischen Solarzellen und zum anderen für die Bewertung des Einflusses von Fallenzuständen auf den Rekombinationsstrom.
KW  - organic solar cells
KW  - charge carrier recombination
KW  - open circuit voltage
KW  - hybrid multi-junction solar cell
KW  - organische Solarzellen
KW  - Ladungsträgerrekombination
KW  - Leerlaufspannung
KW  - hybride Mehrschichtsolarzellen
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397721
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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  -