Die Rolle von Charge-Transfer-Zuständen bei der Ladungsträgererzeugung in organischen Donator-Akzeptor-Solarzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Neher
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256605806

Ziel des hier beantragten Vorhabens ist es, mittels der Time-Delayed Collection Field- (TDCF-) Methode die Feld- und Temperaturabhängigkeit verschiedener Polymer:Fulleren-Mischungen unter Variation der Anregungswellenlänge zu quantifizieren und damit ein konsistentes Bild zur Rolle von Charge-Transfer (CT) Zuständen bei der Bildung freier Ladungen in polymerbasierten organischen Solarzellen zu erhalten. Aktuelle Arbeiten des Antragsstellers und anderer Gruppen legen nahe, dass die Bildung freier Ladungen in diesen Donor-Akzeptor-Mischsystemen aus elektronisch relaxierten und vibronisch thermalisierten CT-Zuständen erfolgt. Damit wird das Bauteilverhalten maßgeblich durch die Effizienz der Aufspaltung dieser Zustände bestimmt. Es ist zu erwarten, dass dabei die energetische Lage thermalisierter CT-Exzitonen relativ zur Energie des ladungsseparierten Zustands von entscheidender Bedeutung ist. Ein zentrales Anliegen dieses Vorhabens ist es daher, mittels TDCF die Effizienz der Generation freier Ladungen als Funktion verschiedener Parameter bei direkter Anregung niederenergetischer CT-Zustände zu messen. Diese Experimente sollen an Polymer:Fulleren-Mischungen mit variabler Energetik durchgeführt werden. Durch TDCF-Experimente als Funktion von elektrischem Feld und Temperatur wollen wir der Frage nachgehen, ob die in vielen Systemen beobachtete Feldabhängigkeit der Generation Ausdruck einer thermisch aktivierten Aufspaltung gebundener CT-Zustände ist oder ob sie im Wesentlichen durch feldassistierte Tunnelprozesse bestimmt wird. Durch TDCF-Messungen unter Variation der Anregungswellenlänge soll ferner untersucht werden, ob die durch Experimente bei Raumtemperatur belegte Aussage, dass die Generation freier Ladungen nahezu ausschließlich über die Aufspaltung thermalisierter CT-Zustände erfolgt, auch bei kleineren Temperaturen, also niedrigen thermischen Energien, gültig ist. Durch TDCF-Experimente an ternären Polymer:Fulleren1:Fulleren2-Mischungen mit selektiver CT-Anregung wollen wir Informationen darüber gewinnen, ob niederenergetische CT-Zustände über mehrere Fulleren-Moleküle delokalisiert sind. Letztlich sind ausführliche Experimente an binären Polymer:Fulleren-Mischungen mit niedriger Polymer-Konzentration geplant. So sollen Zweiphasensysteme bestehend aus einer Polymer-Fulleren-Mischphase und einer nahezu reinen Fulleren-Phase realisiert werden. Wir wollen dabei der Frage nachgehen, ob und unter welchen Umständen eine barrierefreie Aufspaltung von CT-Zuständen bei direkter CT-Anregung, wie sie jetzt für einige etablierte Polymer:Fulleren-Mischungen nachgewiesen wurde, in solchen Zweiphasensystemen ebenfalls möglich ist. Die durch die geplanten Arbeiten gewonnen Ergebnisse sind für das Verständnis der Ladungsträgergeneration in Polymer:Fulleren-Solarzellen von grundlegender Bedeutung und damit wegweisend für die weitere Verbesserung des Wirkungsgrades.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen