Anschlussprojekte
Prof. Dr. Christoph Brabec
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Werkst. d. Elektronik u. Energietechnik)
Prof. Dr. Mike McGehee
Stanford University
Department of Materials Science & Engineering
Verständnis der Degradationsmechanismen in hoch effizienten lösungsprozessierten Photovoltaikbauteilen: Polymer und Perowskit Solarzellen
Organische Solarzellen sind eine Photovoltaiktechnologie der nächsten Generation, die flexible, ultraleichte und kostengünstige Bauteile zur Gewinnung elektrischer Energie ermöglichen. Die Kollaboration zwischen Stanford und Erlangen konnte den kritischen Einfluss der Morphologie des Donor Polymers auf die Stabilität organischer Solarzellen aufzeigen. Untersuchungen zur Rolle der Akzeptor Materialien, wie Fullerene oder auch lösungsprozessierbare kleine Moleküle, sind die nächsten Schritte in diesem Projekt, das die Beziehungen zwischen mikrostrukturellen Veränderungen während des Betriebs und deren Einfluss auf die Bauteilleistung untersucht. Aufgrund des starken Hintergrunds in Stabilitätsuntersuchungen an lösungsprozessierten Solarzellen wird erwartet, dass Untersuchungen an neuartigen, hybriden organisch-anorganischen Perowskit Materialien für Photovoltaikanwendungen zu wichtigen Beiträgen in diesem gerade entstehenden Feld führen. Perowskit Solarzellen haben vor kurzem enorme Aufmerksamkeit innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen, jedoch werden substantielle Steigerungen der Bauteillebensdauer kritisch sein für den Erfolg dieser Technologie.
Ausgangsprojekt: Verständnis der Degradationsmechanismen in hocheffizienten organischen Solarzellen
Abschlussbericht
Nachdem in der ersten Förderperiode ein kritischer Einfluss der Morphologie des Donor Materials auf die Stabilität organischer Solarzellen beobachtet wurde, konnte in dem Anschlussprojekt ein tieferes Verständnis dieser Zusammenhänge erlangt werden. Darüber hinaus wurden die morphologischen Untersuchungen an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource auch auf den Einfluss der Morphologie des Akzeptor Materials sowie auf die Sauerstoffstabilität der Materialien ausgedehnt.
Durch präzise Untersuchung der Ladungsträgerdichten in frischen und gealterten Solarzellen konnte gezeigt werden, dass die erhöhte Stabilität von Solarzellen mit kristallinen Donor Materialien auf eine erhöhte Ladungsträgerdichte zurückzuführen ist [1]. Die Ladungsträgerdichte ist hier so hoch, dass elektronische Störstellen, die während der Alterung entstehen die Leerlaufspannung nicht beeinflussen. Wohingegen in amorphen Materialien ein klarer Verlust an Leerlaufspannung aufgrund zusätzlicher Störstellen beobachtet und auch theoretisch beschrieben werden kann. Die hier gewonnene Expertise führte auch zur Zusammenarbeit mit weiteren Gruppen an der Partneruniversität [2].
Systeme mit kristallinen Donor Materialien zeigten jedoch mit der Neigung zur Fulleren Dimerisierung einen anderen bedeutenden Degradationsmechanismus [3]. Durch die hohe Entmischung von Donor und Akzeptor kann in reinen Fulleren Domänen Dimerisierung erfolgen, die durch eine erhöhte Kristallinität der Fulleren Bereiche wieder reduziert werden kann. Alternativ verhindert in Systemen mit mehr amorphen Donor Materialien die gute Durchmischung von Donor und Akzeptor die Fulleren Dimerisierung.
Schließlich konnte auch gezeigt werden, dass eine erhöhte Kristallinität der aktiven Schicht nicht nur gegen intrinsische photochemische Reaktionen, sondern auch gegenüber Photooxidation eine erhöhte Stabilität ermöglicht [4]. Auch eine Anwendung des Know Hows aus der Zusammenarbeit auf Perowskit Solarzellen ist erfolgreich gelungen [5].
[1] T. Heumueller, T. M. Burke, W. R. Mateker, I. T. Sachs-Quintana, K. Vandewal, C. J. Brabec, and M. D. McGehee, “Disorder-Induced Open-Circuit Voltage Losses in Organic Solar Cells During Photoinduced Burn-In,” Adv. Energy Mater., vol. 5, no. 14, Jul. 2015.
[2] Z. Shang, T. Heumueller, R. Prasanna, G. F. Burkhard, B. D. Naab, Z. Bao, M. D. McGehee, and A. Salleo, “Trade-Off between Trap Filling, Trap Creation, and Charge Recombination Results in Performance Increase at Ultralow Doping Levels in Bulk Heterojunction Solar Cells,” Adv. Energy Mater., vol. 6, no. 24, p. 1601149, Dec. 2016.
[3] T. Heumueller, W. R. Mateker, A. Distler, U. F. Fritze, R. Cheacharoen, W. H. Nguyen, M. Biele, M. Salvador, M. von Delius, H. Egelhaaf, M. D. McGehee, and C. J. Brabec, “Morphological and electrical control of fullerene dimerization determines organic photovoltaic stability,” Energy Environ. Sci., vol. 9, no. 1, pp. 247–256, 2016.
[4] W. R. Mateker, T. Heumueller, R. Cheacharoen, I. T. Sachs-Quintana, and M. D. McGehee, “Molecular Packing and Arrangement Govern the Photo-Oxidative Stability of Organic Photovoltaic Materials,” Chem. Mater., vol. 27, no. 18, pp. 6345–6353, Sep. 2015.
[5] Y. Hou, W. Chen, D. Baran, T. Stubhan, N. A. Luechinger, B. Hartmeier, M. Richter, J. Min, S. Chen, C. O. R. Quiroz, N. Li, H. Zhang, T. Heumueller, G. J. Matt, A. Osvet, K. Forberich, Z.-G. Zhang, Y. Li, B. Winter, P. Schweizer, E. Spiecker, and C. J. Brabec, “Overcoming the Interface Losses in Planar Heterojunction Perovskite-Based Solar Cells.,” Adv. Mater., pp. 5112–5120, 2016.