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Recombination Dynamics in Organic Solar Cells

Rekombinationsdynamiken in organischen Solarzellen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-83895
  • Besides established, conventional inorganic photovoltaics—mainly based on silicon—organic photovoltaics (OPV) are well on the way to represent a lowcost, environment friendly, complementary technology in near future. Production costs, solar cell lifetime and performance are the relevant factors which need to be optimized to enable a market launch of OPV. In this work, the efficiency of organic solar cells and their limitation due to charge carrier recombination are investigated. To analyze solar cells under operating conditions, time-resolvedBesides established, conventional inorganic photovoltaics—mainly based on silicon—organic photovoltaics (OPV) are well on the way to represent a lowcost, environment friendly, complementary technology in near future. Production costs, solar cell lifetime and performance are the relevant factors which need to be optimized to enable a market launch of OPV. In this work, the efficiency of organic solar cells and their limitation due to charge carrier recombination are investigated. To analyze solar cells under operating conditions, time-resolved techniques such as transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC) and charge extraction (CE) are applied in combination with time delayed collection field (TDCF) measurements. Solution processed and evaporated samples of different material composition and varying device architectures are studied. The standard OPV reference system, P3HT:PC61BM, is analyzed for various temperatures in terms of charge carrier lifetime and charge carrier density for a range of illumination intensities. The applicability of the Shockley Equation for organic solar cells is validated in case of field-independent charge photogeneration. In addition, a consistent model is presented, directly relating the ideality factor to the recombination of free with trapped charge carriers in an exponential density of states. An approach known as j=V reconstruction enables to identify the performance limiting loss mechanism of as-prepared and thermally treated P3HT:PC61BM solar cells. This procedure, involving TPV, CE and TDCF measurements, is extended to samples based on the rather new, low-band gap polymer PTB7 in combination with PC71BM. While in the devices processed from pure chlorobenzene solution considerable geminate and nongeminate losses are observed, the use of a solvent additive facilitates efficient polaron pair dissociation minimizing geminate recombination. Finally, in collaboration with the IMEC institute in Leuven, the two main organic solar cell device architectures, planar and bulk heterojunction—both based on CuPc and C60—are directly compared in terms of nongeminate recombination and charge carrier distribution. Two experimental techniques, TPV and CE, as well as a macroscopic device simulation are applied to reveal the origin of different Voc vs. light intensity dependence.show moreshow less
  • Neben herkömmlichen, konventionellen anorganischen Solarzellen — hauptsächlich auf Silizium basierend — ist die Organische Photovoltaik (OPV) auf dem besten Wege in naher Zukunft eine kostengünstige, umweltfreundliche, komplementäre Technolgie darzustellen. Die Produktionskosten, die Lebenszeit der Solarzellen sowie deren Wirkungsgrad müssen dabei weiter optimiert werden, um einen Markteintritt der OPV zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Effizienz organischer Solarzellen und deren Limitierung durch die RekombinationNeben herkömmlichen, konventionellen anorganischen Solarzellen — hauptsächlich auf Silizium basierend — ist die Organische Photovoltaik (OPV) auf dem besten Wege in naher Zukunft eine kostengünstige, umweltfreundliche, komplementäre Technolgie darzustellen. Die Produktionskosten, die Lebenszeit der Solarzellen sowie deren Wirkungsgrad müssen dabei weiter optimiert werden, um einen Markteintritt der OPV zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Effizienz organischer Solarzellen und deren Limitierung durch die Rekombination von Ladungsträgern. Um funktionsfähige Zellen zu untersuchen, werden zeitaufgelöste Experimente wie die Messung der transienten Photospannung (TPV), des transienten Photostroms (TPC), die Ladungsextraktion (CE) sowie die time delayed collection field (TDCF) Methode angewandt. Untersucht werden sowohl flüssig prozessierte als auch aufgedampfte Proben, unterschiedliche Materialzusammensetzungen und verschiedene Probengeometrien. Das Standardmaterialsystem der OPV, P3HT:PC61BM, wird bei verschiedenen emperaturen und Beleuchtungsstärken auf die Lebenszeit und Dichte der photogenerierten Ladungsträger überprüft. Für den Fall spannungsunabhängiger Generation von Ladungsträgern zeigt sich die Anwendbarkeit der Shockley-Gleichung auf organische Solarzellen. Des Weiteren wird ein konsistentes Modell erläutert, welches den Idealtitätsfaktor direkt mit der Rekombination von freien mit gefangenen, exponentiell verteilten Ladungsträgern verknüpft. Ein Ansatz, bekannt unter der Bezeichung j=V Rekonstruktion, ermöglicht es, den leistungslimitierenden Verlustmechanismus in unbehandelten und thermisch geheizten P3HT:PC61BM Solarzellen zu identifizieren. Dieses Verf ahren, welches TPV, CE und TDCF Messungen beinhaltet, wird auf Proben basierend auf dem neuartigen, low-band gap Polymer PTB7 in Verbindung mit dem Fulleren PC71BM ausgeweitet. Während in der Zelle hergestellt aus reinem Chlorbenzol beträchtliche geminale wie nichtgeminale Verluste zu beobachten sind, erleichtert die Zugabe eines Lösungsmittelzusatzes die Polaronenpaartrennung, was zu einer starken Reduktion geminaler Verluste führt. In einer Kooperation mit dem IMEC Institut in Leuven, werden abschließend die beiden bedeutensten Probenarchitekturen organischer Solarzellen, die planare und die Mischübergang Struktur, jeweils basierend auf CuPC und C60, bezüglich nichtgeminaler Rekombination und Ladungsträgerverteilung miteinander verglichen. Neben den beiden experimentellen Techniken um TPV und CE werden makroskopische Simulationen herangezogen, um den Ursprung unterschiedlichen Voc vs. Lichtintensität–Verhaltens zu erklären.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexander Förtig
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-83895
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie / Physikalisches Institut
Date of final exam:2013/10/28
Language:English
Year of Completion:2013
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
GND Keyword:Organische Solarzelle; Fotovoltaik; Organischer Halbleiter
Tag:Energietechnik; Physik; Rekombination; Solartechnik; Solarzelle
organic semiconductors; physics; recombination; solar cell
Release Date:2013/11/18
Advisor:Prof. Vladimir Dyakonov
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht