Die Rolle von Charge-Transfer-Zuständen bei der Ladungsträgererzeugung in organischen Donator-Akzeptor-Solarzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte zum Ziel, durch die Untersuchung ausgewählter Polymer:Fulleren Blends mit der Time Delayed Collection Field (TDCF) Methode umfassende Kenntnisse zu den Mechanismen der Ladungsträgergenerierung zu gewinnen. Insbesondere sollte untersucht werden, ob die Bildung freier Ladungen aus den primär angeregten Zuständen überwiegend über vibronisch- und elektronisch angeregte CT-Zustände verläuft (hot pathways), oder weitestgehend thermalisierte CT-Zustände (cold pathways) involviert. Dazu war es notwendig, die existierende Apparatur bzgl. der zur Verfügung stehenden Laserquellen und der Messelektronik signifikant zu verbessern. Bei Voruntersuchungen an verschiedenen Polymer:Fulleren Blends wurde eine dispersive nichtgeminale Rekombination freier Ladungen beobachtet, die bei „falsch gewählten“ Messbedingungen zu einer scheinbaren Feldabhängigkeit der Ladungsträgergenerierung führt. Die Methodik zur Durchführung der TDCF-Messungen und zur Auswertung der Daten wurde daher weiterentwickelt, um die Prozesse der Ladungsträgergenerierung und-Rekombination klar zu trennen und über einen weiten Bereich als Funktion der Anregungswellenlänge, Temperatur und der Ladungsträgerdichte detailliert zu untersuchen. Durch ausführliche Experimente an mehreren Polymer:Fulleren-Modellsystemen konnte dann gezeigt werden, dass weder die Temperatur- noch die Feldabhängigkeit der Erzeugung freier Ladungen von der Anregungsenergie beeinflusst wird. Überraschenderweise liegen die Aktivierungsenergien, die aus verschiedenen temperaturabhängigen Messungen abgeleitet wurden, im Bereich von einigen 10 meV, wobei der niedrigste Wert für die am stärksten phasenseparierten Polymer:Fulleren-Mischung gemessen wurde. Die Experimente zur Generierung und Rekombination von Ladungen in diesen Polymer:Fulleren-Mischungen waren konsistent mit einem Modell, bei dem die Bildung freier Ladungen, die Photolumineszenz und die Elektrolumineszenz über dieselbe Population niederenergetischer CT-Zustände verlaufen. Dies steht im Widerspruch zu einem häufig in der Literatur angewandten Zwei-Pool-Modell, bei dem geminale Rekombinationsverluste größtenteils einem separaten Pool von stark gebundenen und daher nicht dissoziierbaren CT-Zuständen zugeordnet wird. Unsere Experimente zeigen, dass die Population thermalisierter CT-Zustände, unabhängig von der Photonenenergie, der Ursprung der meisten freien Ladung und der CT-PL ist, und dass diese Zustände nur schwach gebunden sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Charge Carrier Recombination Dynamics in Perovskite and Polymer Solar Cells. Appl. Phys. Lett. 108, 113505 (2016)
Paulke, A.; Stranks, S. D.; Kniepert, J.; Kurpiers, J.; Wolff, C. M.; Schön, N.; Snaith, H. J.; Brenner, T. J. K.; Neher, D.
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Dispersive Non-Geminate Recombination in an Amorphous Polymer: Fullerene Blend. Scientific Reports, 6, 26832 (2016)
Kurpiers, J., and Neher, D.
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“Free Carrier Generation and Recombination in PbS Quantum Dot Solar Cells.” Appl. Phys. Lett., 108, 103102 (2016)
Kurpiers, J., Daniel M Balazs, Andreas Paulke, Steve Albrecht, Ilja Lange, Loredana Protesescu, Maksym V Kovalenko, et al.
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Probing the Pathways of Free Charge Generation in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells, Nature Communications, 9, 2038 (2018)
Kurpiers, J., Ferron, T., Roland, S., Thiede, T., Jaiser, F., Albrecht, S., Janietz, S., Collins, B. A., Howard, I., Neher, D.
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Equilibrated Charge Carrier Populations Govern Steady-State Nongeminate Recombination in Disordered Organic Solar Cells. J. Phys. Chem. Lett. 10, 1374 (2019)
Roland, S.; Kniepert, J.; Love, J. A.; Negi, V.; Liu, F.; Bobbert, P.; Melianas, A.; Kemerink, M.; Hofacker, A.; Neher, D.
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Impact of Bimolecular Recombination on the Fill Factor of Fullerene and Nonfullerene-Based Solar Cells: A Comparative Study of Charge Generation and Extraction. J. Phys. Chem. C (2019)
Hosseini, S. M.; Roland, S.; Kurpiers, J.; Chen, Z.; Zhang, K.; Huang, F.; Armin, A.; Neher, D.; Shoaee, S.
