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Processing and Characterization of Bulk Heterojunction Solar Cells Based on New Organic n-Type Semiconductors

Prozessierung und Charakterisierung von Bulk-Heterojucktion Solarzellen auf Basis von neuen organischen n-Halbleitern

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-161385
  • This thesis established the fabrication of organic solar cells of DA dye donors and fullerene acceptors under ambient conditions in our laboratory, however, with reduced power conversion efficiencies compared to inert conditions. It was shown that moisture had the strongest impact on the stability and reproducibility of the solar cells. Therefore, utilization of robust materials, inverted device architectures and fast fabrication/characterization are recommended if processing takes place in air. Furthermore, the dyad concept was successfullyThis thesis established the fabrication of organic solar cells of DA dye donors and fullerene acceptors under ambient conditions in our laboratory, however, with reduced power conversion efficiencies compared to inert conditions. It was shown that moisture had the strongest impact on the stability and reproducibility of the solar cells. Therefore, utilization of robust materials, inverted device architectures and fast fabrication/characterization are recommended if processing takes place in air. Furthermore, the dyad concept was successfully explored in merocyanine dye-fullerene dyads and power conversion efficiencies of up to 1.14 % and 1.59 % were measured under ambient and inert conditions, respectively. It was determined that the major drawback in comparison to comparable BHJ devices was the inability of the dyad molecules to undergo phase separation. Finally, two series of small molecules were designed in order to obtain electron transport materials, using the acceptor-core-acceptor motive. By variation of the acceptor units especially the LUMO levels could be lowered effectively. Investigation of the compounds in organic thin film transistors helped to identify promising molecules with electron transport properties. Electron transport mobilities of up to 7.3 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (ADA2b) and 1.39 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (AπA1b) were measured in air for the ADA and AπA dyes, respectively. Investigation of selected molecules in organic solar cells proved that these molecules work as active layer components, even though power conversion efficiencies cannot compete with fullerene based devices yet. Thus, this thesis shows new possibilities that might help to develop and design small molecules as substitutes for fullerene acceptors.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellen auf Basis von kleinen DA-Farbstoffen in Kombination mit Fullerenakzeptoren unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Luftfeuchtigkeit den größten Einfluss auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der organischen Solarzellen hat. Aus diesem Grund sind der Austausch labiler Komponenten, die Verwendung von invertierten Bauteilarchitekturen sowie eine zügige Herstellung und Charakterisierung beiIn dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellen auf Basis von kleinen DA-Farbstoffen in Kombination mit Fullerenakzeptoren unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Luftfeuchtigkeit den größten Einfluss auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der organischen Solarzellen hat. Aus diesem Grund sind der Austausch labiler Komponenten, die Verwendung von invertierten Bauteilarchitekturen sowie eine zügige Herstellung und Charakterisierung bei Prozessierung an Luft zu empfehlen. In weiteren Experimenten konnte das Dyadenkonzept erfolgreich angewendet werden, sodass sich Effizienzen von 1.14 und 1.59 % unter ambienten bzw. inerten Bedingungen messen ließen. Das Unvermögen der Dyaden, separate Phasen aus Donor- und Akzeptorverbindung zu bilden, konnte als größte Schwäche der Verbindungen ausgemacht werden. Schlussendlich wurden zwei Serien von Molekülen mit der Absicht Elektronentransportmaterialien zu generieren basierend auf einem Akzeptor-Kern-Akzeptor-Strukturmotiv entworfen. Die Variation der Akzeptoren ermöglichte in der Tat eine systematische Absenkung der Grenzorbitale und insbesondere der LUMO-Niveaus. Weiterhin wurden die Verbindungen in organischen Dünnfilmtransistoren untersucht, um mehr über ihre Ladungstransporteigenschaften zu erfahren. Dabei konnten Moleküle ausgemacht werden, die zum Elektronentransport an Luft in der Lage sind. Für die besten ADA- und AπA-Farbstoffe konnten so jeweils Elektronenmobilitäten von 7.3 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (ADA2b) und 1.39 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (AπA1b) gemessen werden. Weitere Untersuchungen von ausgewählten Verbindungen in organischen Solarzellen, konnten beweisen, dass diese neu kreierten Moleküle im Prinzip als Aktivmaterialien funktionieren können, wenn auch die erzielten Effizienzen noch nicht mit denen von Fulleren-basierten Solarzellen konkurrieren konnten. Damit zeigt diese Arbeit neue Möglichkeiten auf, die bei der Entwicklung und dem Design von kleinen Molekülen als Alternativen zu Fullereneakzeptoren hilfreich sein können.show moreshow less

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Metadaten
Author: Reinhard Johannes Hecht [geb. Wagener]
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-161385
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Organische Chemie
Referee:Prof. Dr. Frank Würthner, Prof. Dr. Klaus Meerholz, Prof. Dr. Matthias Lehmann
Date of final exam:2018/04/12
Language:English
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-16138
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 547 Organische Chemie
Tag:A-D-A dyes; dyads; merocyanines; n-type semiconductors; organic solar cells
Release Date:2019/04/12
Licence (German):License LogoCC BY-NC-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International