Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2013

Verständnis der Degradationsmechanismen in hocheffizienten organischen Solarzellen

Prof. Dr. Christoph J. Brabec
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Materialien der Elektronik und der Energietechnologie

Prof. Mike McGehee
Stanford University
Department of Materials Science & Engineering


Organische Solarzellen sind eine Photovoltaiktechnologie der nächsten Generation, die flexible, ultraleichte und kostengünstige Bauteile zur Gewinnung elektrischer Energie ermöglichen. Mit dem Überschreiten von 10% Wirkungsgrad wird die Wissenschaft der Stabilisierung und Lebensdauer organischer Solarzellen zum Schlüsselfaktor für einen großflächigen Einsatz. Um die Degradationsmechanismen in organischen Solarzellen zu verstehen, werden die Beziehungen zwischen mikrostrukturellen Veränderungen während des Betriebs und deren Einfluss auf die Bauteilleistung untersucht. Insbesondere der Ursprung von energetischen Störstellen, die als bedeutendster Degradationsmechanismus für die Materialen organischer Solarzellen gelten, wird in diesem Projekt untersucht. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse sollen Methoden zur Modifikation der chemischen Struktur und zur Kontrolle der Morphologie organischer Solarzellen angewendet werden um die Bauteillebensdauer zu erhöhen.

Abschlussbericht
In der fruchtbaren Kollaboration zwischen Erlangen und Stanford wurde die Degradation einer Vielzahl an Materialien für die organische Photovoltaik (OPV) mit hoch entwickelten Charakterisierungsmethoden untersucht. Eine Kombination aus spektroskopischen Photostrommessungen mit einzigartigen Methoden zur Strukturaufklärung an der Synchrotronstrahlenquelle in Stanford (SSRL) zeigte eine klare Korrelation zwischen reduzierten Leistungsverlusten organischer Solarzellen mit erhöhter Kristallinität des Donor Polmyers auf [1]. Dies führte zu einer allgemeinen Designregel für Bauteile mit erhöhter Stabilität, die auch für kleine Moleküle als Donormaterialien anwendbar ist. Unter Verwendung fortschrittlicher transienter Charakterisierungsmethoden konnten wir den physikalischen Ursprung für anfängliche Verluste der Leerlaufspannung als erhöhte energetische Unordnung identifizieren und zum theoretischen Verständnis einer möglichen Erhöhung der Leerlaufspannung beitragen [2]. Überdies wurde der entscheidende Einfluss der Glasübergangstemperatur der verwendeten Materialien auf die Bauteilstabilität demonstriert [3].

[1] T. Heumueller, W. R. Mateker, C. J. Brabec, and M. D. McGehee, et al. “Reducing burn-in voltage loss in polymer solar cells by increasing the polymer crystallinity,” Energy and Environmental. Science, vol. 7, no. 9, pp. 2974–2980, Aug. 2014.

[2] K. Vandewal, J. Widmer, T. Heumueller, C. J. Brabec, M. D. McGehee, K. Leo, M. Riede, and A. Salleo, “Increased open-circuit voltage of organic solar cells by reduced donor-acceptor interface area.,” Advanced Materials, vol. 26, no. 23, pp. 3839–43, Jun. 2014.

[3] I. T. Sachs-Quintana, T. Heumüller, C. J. Brabec, and M. D. McGehee, et al. “Electron Barrier Formation at the Organic-Back Contact Interface is the First Step in Thermal Degradation of Polymer Solar Cells,” Advanced Functional Materials, vol. 24, no. 25, pp. 3978–3985, Jul. 2014.