Untersuchung und Kontrolle der Ladungsträgerrekombination in organischen Solarzellen aus Kupferphthalocyanin und Buckminsterfulleren

Abstract

Die erreichten Wirkungsgrade von organischen Solarzellen sind durch intensive Entwicklungsarbeit in den letzten Jahren stark gestiegen, so dass erste kommerzielle Anbieter die Technologie in den Markt einführen. Zur weiteren Optimierung der organischen Solarzellen ist ein tiefergehendes Verständnis der mikroskopischen Prozesse nötig, damit eine Maximierung des Fotostroms, des Füllfaktors, sowie der offenen Klemmspannung erreicht werden kann. Ungewünschte Ladungsträgerrekombinationsprozesse führen in den Bauteilen zu einer Erniedrigung des Füllfaktors und der offenen Klemmspannung. Um ein tiefergehendes Verständnis dieser Parameter zu erlangen, müssen diese Rekombinationsprozesse untersucht, sowie deren Auswirkung auf den Füllfaktor und die offene Klemmspannung verstanden und mit den Herstellungsparametern der organischen Solarzellen korreliert werden. Dazu werden in dieser Arbeit organische Solarzellen aus der wohl etablierten Kombination des Donors PcCu und Akzeptors C60 in Architekturen wie dem planaren Heteroübergang, dem Bulk Heteroübergang, einer Mischform aus planarem und Bulk Heteroübergang, sowie durch Einsatz einer Gradientenschicht mit verschiedenen Mischungsverhältnissen des Donors und Akzeptors hergestellt. Die Rekombination wurde mit intensitätsmodulierter Fotospannungsspektroskopie untersucht und mit den Solarzellenparametern aus Strom-Spannungskennlinien verglichen. Für die Architektur des planaren Heteroübergangs wurde dabei die höchste Ladungsträgerlebensdauer bzw. die niedrigste Rekombinationsrate bei allerdings kleinen Fotoströmen ermittelt. Der Bulk-Heteroübergang zeigt wegen seiner hohen inneren Grenzfläche einen höheren Strom, aber auch die niedrigste Lebensdauer. Es konnte gezeigt werden, dass eine Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer zu einer Erhöhung der offenen Klemmspannung und des Füllfaktors führt. Bei der Untersuchung verschiedener Mischungsverhältnisse von Donor und Akzeptor in einem Bulk-Heteroübergang kommt es mit der Erhöhung des Anteils von PcCu an der Mischschicht zu einem Anstieg der Lebensdauer und demzufolge auch zu einem Anstieg der offenen Klemmspannung und des Füllfaktors. Die Erhöhung der Lebensdauer wird auf die Verringerung der Anzahl von isolierten PcCu-Domänen in der Mischschicht zurückgeführt. Die höchste Kurzschlussstromdichte wird für ein Mischungsverhältnis von Donor und Akzeptor von 1:1 erreicht. Mit Hilfe von zusätzlichen Impedanzspektroskopiemessungen konnte die Rekombinationsordnung zu einem Wert größer als zwei ermittelt werden. Ein solcher Wert steht für die Rekombination an Ladungsträgerfallen wie z.B. isolierten Domänen. Durch die Präparation einer Solarzelle mit einer Gradientenschicht konnte die Lebensdauer und damit die offene Klemmspannung bei hohem Kurzschlussstrom weiter erhöht und so der in dieser Arbeit erreichte Wirkungsgrad auf 1,8 % gesteigert werden. A high effort in research and development for organic solar cells lead to a steep increase in solar cell efficiencies in the recent years followed by a commercial launch of the technology. To further improve the organic solar cells, a deeper knowledge of the microscopic processes is invaluable. Besides the maximization of the photocurrent, an improvement of the fill factor, the open-circuit voltage plays an important role. Undesired charge carrier recombination processes lead to a lowering of the fill factor and the open-circuit voltage. To establish a better understanding of these parameters, the recombination processes and their connection to the fill factor and open-circuit voltage must be examined and correlated with the production parameters of the organic solar cells. In this work, organic solar cells consisting of a combination of the well-established donor PcCu and acceptor C60 are prepared in architectures like a planar heterojunction, bulk heterojunction, planar-mixed bulk heterojunction and using a concentration gradient by varying mixing ratio. The recombination was examined by using intensity-modulated photovoltage spectroscopy and compared to the solar cell parameters extracted from current-voltage measurements. The architecture of the planar heterojunction shows the highest charge carrier lifetime or lowest recombination rate while having low photocurrents. The bulk heterojunction exhibits the highest photocurrent but also the lowest charge carrier lifetime. This can be attributed to the higher interface area between donor and acceptor. It was shown, that an increase of the charge carrier lifetime leads to an increase of the open-circuit voltage and the fill factor. An increase of the PcCu-content in the blend of donor and acceptor in bulk heterojunction solar cells leads to a higher charge carrier lifetime and thus to a higher open-circuit voltage and fill factor. This can be explained by a reduction of isolated domains of PcCu and therefore less recombination. The highest short-circuit current is obtained for a 1:1 mixture of PcCu and C60. By additional impedance spectroscopy measurements a recombination order higher than 2 is obtained. This result stands for a recombination at charge carrier traps, like isolated clusters. The preparation of a solar cell with a concentration gradient of PcCu and C60 led to a further enhancement of the charge carrier lifetime and therefore of the open-circuit voltage while having a high short-circuit current. Thus, an efficiency of 1,8 % could be obtained.