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The interplay of nanostructure and efficiency of polymer solar cells

Einfluss der Nanostruktur auf die Effizienz von Polymer-Solarzellen

  • The aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptorThe aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptor heterojunction is of major importance towards the goal of high photovoltaic efficiencies. Regarding polymer-small molecular hybrid solar cells I combined the hole-transporting polymer M3EH-PPV with a novel Vinazene-based electron acceptor. This molecule can be either deposited from solution or by thermal evaporation, allowing for a large variety of layer architectures to be realized. I then demonstrated that the layer architecture has a large influence on the photovoltaic properties. Solar cells with very high fill factors of up to 57 % and an open circuit voltage of 1V could be achieved by realizing a sharp and well-defined donor-acceptor heterojunction. In the past, fill factors exceeding 50 % have only been observed for polymers in combination with soluble fullerene-derivatives or nanocrystalline inorganic semiconductors as the electron-accepting component. The finding that proper processing of polymer-vinazene devices leads to similar high values is a major step towards the design of efficient polymer-based solar cells.show moreshow less
  • Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer-Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer- Solarzellen nicht beeinträchtigen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Einstellung der Donator-Akzeptor-Grenzfläche von besonderer Bedeutung zum Erreichen hoher Effizienzen ist. In Hybridsolarzellen aus Polymeren und kleinen Molekülen kombinierte ich das lochleitende konjugierte Polymer M3EH-PPV mit einem neuartigen Vinazen-Molekül als Elektronen-akzeptor. Dieses Molekül bietet die Möglichkeit, entweder aus einer Lösung heraus verarbeitet oder im Hochvakuum verdampft zu werden, wodurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Probenstrukturen realisiert werden kann. Dadurch konnte ich zeigen, dass die Struktur der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften hat. Die Solarzellen erreichten einen Füllfaktor von bis zu 57% und eine Kurzschluss¬spannung von 1 V. In der Vergangenheit konnten bei polymerbasierten Solarzellen Füllfaktoren über 50% nur in Verbindung mit Fullerenen oder nanokristallinen anorganischen Halbleitern als Akzeptoren erreicht werden. Das Resultat, dass bei geeigneter Präparation der Polymer-Vinazen-Schicht vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können, ist ein bedeutender Schritt hin zu effizienteren Polymersolarzellen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Chunhong Yin
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-29054
Advisor:Dieter Neher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2009/03/03
Release Date:2009/03/16
Tag:Effizienz; Morphologie; Nanostruktur; Polymer-Solarzelle
Polymer solar cells; efficiency; morphology; nanostructure
RVK - Regensburg Classification:UV 1080
RVK - Regensburg Classification:UV 5000
RVK - Regensburg Classification:ZN 3700
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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