Fabrikations- und Charakterisierungs Linie für nanostrukturierte organische Solarzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die sowohl sauerstoff- als auch wasserarme Atmosphäre innerhalb der Glovebox-Produktionslinie, sowie die darin befindliche Heizpresse (Nano-Imprinter), ermöglichte eine detaillierte Erforschung der elektronischen funktionsweise von organischen Solarzellen. Makroskopisch messbare Eigenschaften wurden durch künstliche Manipulationen der Donator-Akzeptor Grenzschichtgeometrien auf der Nanometerskala gesteuert. Kammartige Zweischicht-Polymer-Polymer-Morphologien, deren Grenzschichtfläche kontrolliert vergrößert wurde, konnten reproduzierbar hergestellt werden und dienten dann als ein Modellsystem zur Erforschung grundlegender Prozesse wie der Exzitonenausbeute und der Ladungsträgerrekombination. Eine neuartige Prozessierungsmethode, basierend auf Nano-Imprint-Lithographie und anschließender lichtinduzierter Vernetzung des n-leitenden Materials wurde entwickelt, um rein lösungsprozessierte und kammartige Morphologien zu verwirklichen. Die Oberflächenstrukturierung der n-leitenden Polymerschicht bleibt durch die Vernetzung erhalten, selbst wenn das p-leitende Polymer aus einer Lösung auf die Nanostruktur aufgebracht wird. Diese Vernetzung basiert auf der lichtinduzierten Aktivierung von „sFPA“ Molekülen, die ab einem Sauerstoffgehalt größer 3 ppm in der Glovebox aufgrund von Photooxidation degradieren würden. In einer anderen Studie, die 2015 in APL Materials erschienen ist, wurden hocheffiziente (~ 9%) Polymer-Fullerene Solarzellen auf einer eigens entwickelten, kostengünstigen und zudem noch temperaturstabilen transparenten TiO2/Ag/TiO2 Elektrode gefertigt. Diese wurde in der Anwendung in Solarzellen mit standard- ITO basierten Solarzellen verglichen. Wir konnten zeigen, dass diese, durch einen erweiterten Parameterraum, in ihren Eigenschaften ITO-Substrate übertreffen. Solche hocheffizienten Bauteile konnten reproduzierbar nur durch Prozessieren unter kontrollierten Bedingungen erreicht werden. In zwei weiteren Studien wurden Antimon-Sulfid-Polymer Hybridsolarzellen untersucht. Ein entscheidender Schritt bei der Prozessierung des photoaktiven Antimon-sulfids ist die thermisch-induzierte Kristallisation unter Ausschluss von Sauerstoff. Auch unsere Aktivitäten im Bereich der Perowskit-Solarzellen profitieren von den kontrollierten Bedingungen in der Glovebox. Zum einen werden unsere hocheffizienten Solarzellen in der Glovebox produziert, zum anderen waren Messungen der Effizienz aufgrund der geringen Stabilität der Zellen teilweise auf Messungen in der Glovebox angewiesen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of Interfacial Area on Exciton Separation and Polaron Recombination in Nanostructured Bilayer All-Polymer Solar Cells. ACS Nano ; 8 (2014), 12. - S. 12397-12409
Pfadler, Thomas; Coric, Mihael; Palumbiny, Claudia M.; Jakowetz, Andreas C.; Strunk, Karl- Philipp; Dorman, James A.; Ehrenreich, Philipp; Wang, Cheng; Hexemer, Alexander; Png, Rui-Qi; Ho, Peter K. H.; Müller-Buschbaum, Peter; Weickert, Jonas; Schmidt-Mende, Lukas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nn5064166) - : Decoupling optical and electronic optimization of organic solar cells using highperformance temperature-stable TiO2/Ag/TiO2 electrodes. APL Materials ; 3 (2015), 10. – 106105
Kim, Kwang-Dae; Pfadler, Thomas; Zimmermann, Eugen; Feng, Yuyi; Dorman, James A.; Weickert, Jonas; Schmidt-Mende, Lukas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4933414) - A comparison of light-coupling into high and low index nanostructured photovoltaic thin films. APL Materials ; 3 (2015), 6. - 066101
Pfadler, Thomas; Stärk, Martin; Zimmermann, Eugen; Putnik, Martin; Boneberg, Johannes; Weickert, Jonas; Schmidt-Mende, Lukas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4921955) - Toward High-Efficiency Solution- Processed Planar Heterojunction Sb2S3 Solar Cells. Advanced Science ; 2 (2015), 5. – 1500059
Zimmermann, Eugen; Pfadler, Thomas; Kalb, Julian; Dorman, James A.; Sommer, Daniel; Hahn, Giso; Weickert, Jonas; Schmidt-Mende, Lukas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/advs.201500059) - Characterization of perovskite solar cells: Towards a reliable measurement protocol. APL Mater. 2016, 4 (9), 091901
Zimmermann, E.; Wong, K. K.; Müller, M.; Hu, H.; Ehrenreich, P.; Kohlstädt, M.; Würfel, U.; Mastroianni, S.; Mathiazhagan, G.; Hinsch, A.; Gujar, T. P.; Thelakkat, M.; Pfadler, T.; Schmidt- Mende, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4960759) - Highly Efficient Reproducible Perovskite Solar Cells Prepared by Low-Temperature Processing. Molecules 2016, 21 (4), 542
Hu, H.; Wong, K. K.; Kollek, T.; Hanusch, F.; Polarz, S.; Docampo, P.; Schmidt-Mende, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/molecules21040542)
