Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2013

Verständnis der Photostromerzeugung in organischen Solarzellen

Prof. Dr. Anna Köhler
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Experimentalphysik II

Prof. Dr. Thuc-Quyen Nguyen
University of California, Santa Barbara
Dept. of Chemistry and Biochemistry


Organische Solarzellen sind von großem industriellen Interesse. Für weitere Fortschritte in ihrer Entwicklung bedarf es eines klaren Verständnisses der zugrundeliegenden wesentlichen photophysikalischen Prozesse. In organischen Halbleitern erzeugt Lichtabsorption coulombisch gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen). Diese Ladungen können sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes auftrennen und zu den Elektroden diffundieren, wo sie gesammelt werden und so einen Photostrom erzeugen. In diesem Projekt untersuchen wir wie und warum die Exzitonendissoziation von Parametern wie der Ausdehnung des angeregten Zustands, der molekularen Polarisierbarkeit, konformeller, morphologischer und energetischer Unordnung abhängt.

Abschlussbericht
Im Rahmen der durch BaCaTeC geförderten Kollaboration zwischen Bayreuth und Santa Barbara haben wir untersucht, welche Materialparameter und damit verbundenen Prozesse die Photogeneration von Ladungen in organischen Solarzellen kontrollieren. Im Fokus stand dabei insbesondere, wie die intermolekularen Wechelwirkungen die Balance zwischen geminaler und nicht-geminaler Rekombination beeinflussen. Indem wir Strom-Spannungs-Kennlinien für verschiedene Filmdicken gemessen haben und die daraus resultierenden Fillfaktoren für verschiedene Beleuchtungsintensitäten analysierten konnten wir zeigen, dass durch Aggregation induzierte intermolekulare Wechselwirkungen ein Schlüsselfaktor darin sind, Exzitonendissoziation zu verstärken und Rekombination von photoerzeugten Ladungen zu verhindern.[1] Die Bildung solcher Aggregate zu identifizieren und zu kontrollieren, z.B. durch Kontrolle der Konzentration und, insbesondere, der Lösungstemperatur vor dem Aufschleudern, ist daher wesentlich. Für das Molekül p - DTS(FBTTH2)2, das auch für die Photostromstudien verwendet wurde, konnten wir die Absorptions- und Emissionsspektren der aggregierten und nicht-aggregierten Zustände identifizieren, und wir konnten nachweisen, dass der Prozess der Aggregatbildung in drei Stufen abläuft.[2] Die Untersuchungen zum Aggregationspfad werden derzeit weitergeführt durch spektroskopische Studien sowie durch molekulardynamische Simulationen. Für zwei strukturell sehr ähnliche Chromophore konnten wir zeigen, dass in einem der beiden die Aggregation dadurch verhindert wird, dass das Aufeinanderpacken der Chromophore signifikante Lösunsmittelverdrängung benötigt. Aus dieser Einsicht konnten klare Designregeln für die chemische Synthese abgeleitet werden.

Publikationen:

1. Monomolecular and Bimolecular Recombination of Electron– Hole Pairs at the Interface of a Bilayer Organic Solar Cell, T. Hahn, S. Tscheuschner, F.-J. Kahle, M. Reichenberger, S. Athanasopoulos, C. Saller, G.C. Bazan, T.-Q. Nguyen, P. Strohriegl, H. Bässler and A. Köhler, Adv. Funct. Mater. (2017) 27 160490; DOI: 10.1002/adfm.201604906

2. The effect of intermolecular interaction on excited states in p - DTS(FBTTH2)2, M. Reichenberger, J. A. Love, A. Rudnick, S. Bagnich, F. Panzer, A. Stradomska, G. C. Bazan, T.-Q. Nguyen and A. Köhler, J. Chem. Phys. 144 (2016) 074904; DOI: 10.1063/1.4941700