Charge Transport and Recombination Dynamics in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells [Elektronische Ressource] / Andreas Baumann. Betreuer: Vladimir Dyakonov

"Andreas Baumann"

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 80
• Langue: Deutsch
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Extrait

Charge Transport and
Recombination Dynamics in
Organic Bulk Heterojunction
Solar Cells
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Julius-Maximilians-Universität Würzburg
vorgelegt von
Andreas Baumann
aus Rothenburg ob der Tauber
Würzburg 2011Eingereicht am: 11. Mai 2011
bei der Fakultät für Physik und Astronomie
1. Gutachter: Prof. Dr. Vladimir Dyakonov
2. Gutachter: Prof. Dr. Bert Hecht
der Dissertation.
1. Prüfer: Prof. Dr. Vladimir Dyakonov
2. Prof. Dr. Bert Hecht
3. Prüfer: Prof. Dr. Bernd Engels
im Promotionskolloquium.
Tag des Promotionskolloquiums: 02. August 2011
Doktorurkunde ausgehändigt am:» Falls Gott die Welt geschaffen hat, war seine Hauptsor-
ge sicher nicht, sie so zu machen, dass wir sie verstehen
können. «
Albert Einstein (1879-1955)i
Kurzfassung
Der Ladungstransport in ungeordneten organischen “bulk heterojunction”
(Heterogemisch, Abk.: BHJ) Solarzellen stellt einen kritischen Prozess dar,
der den Wirkungsgrad wesentlich beeinflusst. Aufgrund der großen Nachfra-
ge neuer, vielversprechender Materialien für die organische Photovoltaik, ist
es um so wichtiger nicht nur ihre photophysikalischen sondern auch deren
elektrischen Eigenschaften zu charakterisieren. Gerade letztere erfordern ex-
perimentelle Messmethoden, die an funktionsfähigen Solarzellen angewandt
werden können.
Zur experimentellen Untersuchung des Landungstransportes in organi-
schen Solarzellen werden in dieser Arbeit die Methoden der transienten Pho-
toleitfähigkeit, auch bekannt als “Time-of-Flight” (TOF), sowie die transiente
Ladungsextraktionsmethode “Charge Carrier Extraction by Linearly Increa-
sing Voltage” (CELIV) verwendet. Gerade Letztere ermöglicht es an Dünn-
schichtsystemen von nur wenigen 100 nm, eine typische Schichtdicke bei or-
ganischen Solarzellen, den Ladungstransport aber auch die Rekombination
von Elektronen und Löchern zu untersuchen. Entscheidend für eine vielver-
sprechende funktionsfähige organische BHJ Solarzelle ist dabei eine günstige
Morphologie, die eine effiziente Generation von Ladungsträger, sowie deren
AbführungzudenElektrodenerlaubt.DabeiwirdindieserArbeitderEinfluss
der räumlichen, als auch der der energetischen Unordnung der photoaktiven
Schicht auf den Ladungstransport und der Rekombination der Ladungsträger
untersucht.DasweitverbreiteteMaterialsystembestehendausPoly-3-(Hexyl)
Thiophen (P3HT) und [6,6]-Phenyl C Buttersäure Methylester (PC BM)61 61
dient dabei als Donator–Akzeptor Referenzsystem. Neuartige Donator- bzw.
Akzeptor-Materialien und deren Potential für künftige Anwendungen in der
organischen Photovoltaik werden hinsichtlich ihrer Ladungsträgereigenschaf-
ten mit dem Referenzmaterialsystem verglichen.
Im Zuge der Kommerzialisierung organischer Solarzellen bzw. Solarmodu-
len ist die Anfälligkeit der Zellen gegenüber äußeren Umwelteinflüssen, wie
Sauerstoff oder Wasser, in den Vordergrund des wissenschaftlichen Interesses
gerückt. Dementsprechend wird in dieser Arbeit auch der Einfluss von synthe-
tischer Luft auf den Transport und die Rekombination von Ladungsträgern
und somit auf den Wirkungsgrad der Solarzelle untersucht und diskutiert.
Schließlich wird im Rahmen dieser Arbeit eine Erweiterung der photo-
CELIVMessmethodevorgestellt.DieseermöglichtesdieLebensdauerundden
Transport von Ladungsträgern in organischen Dünnschicht-Solarzellen unter
realen Arbeitsbedingungen, d.h. Beleuchtung unter einer Sonne bei Raumtem-
peratur, zu bestimmen.ii
Abstract
The charge transport in disordered organic bulk heterojunction (BHJ) solar
cells is a crucial process affecting the power conversion efficiency (PCE) of
the solar cell. With the need of synthesizing new materials for improving the
power conversion efficiency of those cells it is important to study not only the
photophysical but also the electrical properties of the new material classes.
Thereby, the experimental techniques need to be applicable to operating solar
cells.
In this work, the conventional methods of transient photoconductivity
(alsoknownas“Time-of-Flight” (TOF)),aswellasthetransientchargeextrac-
tion technique of “Charge Carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage”
(CELIV) are performed on different organic blend compositions. Especially
with the latter it is feasible to study the dynamics—i.e. charge transport and
charge carrier recombination—in bulk heterojunction (BHJ) solar cells with
active layer thicknesses of 100–200 nm. For a well performing organic BHJ
solar cells the morphology is the most crucial parameter finding a trade–off
between an efficient photogeneration of charge carriers and the transport of
the latter to the electrodes. Besides the morphology, the nature of energetic
disorder of the active material blend and its influence on the dynamics are
discussed extensively in this work. Thereby, the material system of poly(3-
hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C butyric acid methyl es-61
ter (PC BM) serves mainly as a reference material system. New promising61
donor or acceptor materials and their potential for application in organic
photovoltaics are studied in view of charge dynamics and compared with the
reference system.
With the need for commercialization of organic solar cells the question of
the impact of environmental conditions on the PCE of the solar cells raises.
In this work, organic BHJ solar cells exposed to synthetic air for finite du-
ration are studied in view of the charge carrier transport and recombination
dynamics.
Finally, within the framework of this work the technique of photo-CELIV
is improved. With the modified technique it is now feasible to study the
mobility and lifetime of charge carriers in organic solar cells under operating
conditions.Contents
1 Introduction 1
2 Organic Photovoltaics 5
2.1 Developments in the Field of Organic Photovoltaics . . . . . . 5
2.2 Operational Principles of Organic Bulk Heterojunction Solar
Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Current–Voltage Characteristics and Solar Cell Parameters . . 13
2.4 Donor Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Acceptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Charge Transport in Organic Disordered Materials 23
3.1 Variable Range Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Gaussian Disorder Model (GDM) . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Multiple Trapping and Release (MTR) Model . . . . . . . . . 27
4 Charge Carrier Recombination 31
4.1 Charge Carrier Recombination in Organic Bulk Heterojunction
Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Langevin Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Sample Preparation 39
6 Experimental Techniques 41
6.1 Transient Photoconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Charge Carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage (CE-
LIV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 Open Circuit Corrected Transient Charge Extraction by Lin-
early Increasing Voltage (OTRACE) . . . . . . . . . . . . . . 48
7 Charge Transport in P3HT:PC BM blends probed by Tran-61
sient Photoconductivity 51
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.2 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61iv Contents
8 Effect of Energetic Disorder on the Charge Transport and
Recombination 63
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9 Influence of Phase Segregation on the Charge Carrier Mobil-
ity and Lifetime in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells 79
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
9.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
10 Impact of Oxygen on the Performance of P3HT:PC BM So-61
lar Cells 95
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.2 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
10.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
11 Transient Charge Extraction in Organic Solar Cells:
OTRACE vs. photo-CELIV—A Comparative Study 105
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11.2 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1