Controlling charge carrier recombination in ternary organic solar cells

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-07-06
Issue Year
2017
Authors
Gasparini, Nicola
Editor
Abstract

In recent years the concept of ternary blend bulk heterojunction (BHJ) solar cells based on organic semiconductors is proved to be a very effective strategy for overcoming the limitation of donor:acceptor blends. Ternary devices feature the advantages of enhanced light harvesting of tandem devices while maintaining the simplicity of the single junction architecture. Moreover, a proper selection of the ternary agent facilitates the excition dissociation, increases the transport properties and optimises the device microstructure. As a result, the power conversion efficiency (PCE) of ternary solar devices surpasses the important 10% threshold for commercialization. However, only few examples of ternary blends surpassing the binary counterparts are reported. In fact, the simultaneous enhancement of the photovoltaic parameters is still challenging due to the different chemical and physical nature of the ternary components. The research community made impressive steps towards understanding the fundamental processes in ternary devices (charge and energy transfer, parallel-like and alloy model), however no design rules for the fabrication of high performing ternary devices are reported. In this thesis, aimed by the need to fill this lack we study the recombination behaviour of ternary composites and we successfully overcome the trade-offs between complete light harvesting, thick active layers and improved fill factor. While the extended light absorption in ternary composites is well known, we go much beyond this classical sensitization effect by designing ternary blends with reduced carrier recombination, leading to record fill factors of 77% in one case and to photoactive layer thicknesses exceeding 300 nm in another case. The latter is of utmost importance for realizing organic photovoltaics as a scalable source of renewable energy using printing technologies. Overall, we combined optoelectronic characterizations with morphological analysis to shine light into charge and energy transfer mechanisms as well as to depict the morphology microstructure.

Abstract

In jüngster Zeit hat sich das Konzept der ternären Mischungen als besonders effektive Strategie zur Überwindung der Einschränkungen organischer Akzeptor-Donator Solarzellen mit Volumen-Heteroübergang herausgestellt. Ternäre organische Solarzellen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zur erhöhten Lichtabsorption aus, ähnlich der Tandem-Solarzelle, während die einfache Herstellung der organischen Solarzelle mit nur einer aktiven Schicht beibehalten wird. Darüber hinaus kann die richtige Wahl der ternären Komponente zu einer Erhöhung der Dissoziationsrate von Exzitonen, Verbesserung des Ladungstransports und Optimierung der Mikrostruktur der aktiven Halbleiterschicht führen. Die Kombination dieser Phänomene hat zu einer stetigen Verbesserung der Effizienz geführt, die nun deutlich die für kommerzielle Zwecke wichtige 10% Marke überschritten hat. Dennoch werden in der Literatur nur sehr wenige Beispiele beschrieben, in denen das ternäre System die Effizienz der beiden binären Ausgangssysteme überschreitet. Tatsächlich ist die simultane Erhöhung der photovoltaischen Parameter eine große Herausforderung, bedingt durch die unterschiedliche chemische und physikalische Natur der dritten Komponente im Vergleich zu dem binären System. Es liegt nahe, dass das fundamentale Verständnis von ternären organischen Solarzellen im Zusammenhang mit zugrundeliegenden Ladungs- und Energietransferreaktionen und entsprechender Legierungsmodelle beeindruckende Entwicklungen erfahren hat, jedoch fehlt es weiterhin an Grundregeln für den systematischen Design von hocheffizienten ternären Bauteilen. Diese Dissertation setzt sich als Ziel die bestehende Wissenslücke im Zusammenhang mit ternären Halbleiterkompositen zu schließen. Hierzu wird das Rekombinationsverhalten von Ladungsträgern grundlegend untersucht. Als Konsequenz dieser Untersuchungen wird die in der Regel stark limitierende Abhängigkeit zwischen vollständiger Lichtabsorption, dicken Halbleiterschichten und hohem Füllfaktor überwunden. In dieser Arbeit gehen wir weit über den klassischen Sensibilisierungsprozess hinaus, der in der Regel zu einer wohlbekannten erhöhten spektralen Absorption führt, und demonstrieren die Unterdrückung von Rekombinationsverlusten durch neuartige ternäre Halbleitermischungen. Dieser Ansatz resultiert einerseits in Rekord-Füllfaktoren von bis zu 77% und andererseits in hocheffiziente organische Halbleiterfilme mit über 300 nm Dicke. Dieser letzte Aspekt ist für die Ambition organische Solarzellen mit skalierbaren Technologien zu drucken besonders wichtig. Die Untersuchungen ternärer, photovoltaischer Komposite werden zusätzlich durch eine Kombination aus opto-elektronischer Charakterisierung und morphologischer Analyse ergänzt, um eine kritische Verbindung zwischen Morphologie und Ladungs- sowie Energietransfer herzustellen.

DOI
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