Untersuchung von schnellen Annealingverfahren und deren Auswirkungen auf die Bulk Heterojunction in organischen Sollarzellen

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Seit der Erfindung der ersten organischen Solarzellen 1986 durch Tang et al.1wurde auf dem Gebiet der organischen Photovoltaik (OPV) intensive Forschungbetrieben. Von anorganischen Solarzellen unterscheidet sich die OPV durchsehr dünne und semitransparente Schichten und der Möglichkeit der einfachenHerstellung massenproduktionstauglicher Druckverfahren.Die Leistung der Solarzelle wird beeinflusst durch äußere Faktoren, wie Kontakt- undTransportschichten, die Schichtdicken und das verwendete Materialsystem.Werden diese konstant gehalten, hängt die Effizienz von den morphologischenAspekten eines interpenetrierenden Netzwerks (Bulk Heterojunction) aus denDonor- und Akzeptormolekülen des verwendeten Materialsystems ab. Die Leistungkann in P3HT:PCBM-Solarzellen (Poly(3-hexylthiophen):Phenyl-C61-ButylsäureMethylester) durch Nachbehandlungsprozesse (s.g. Annealing) deutlich gesteigertwerden.In dieser Arbeit wurden mit den Domänengrößen, der Ladungsträgermobilität, der Bildung von Transportpfaden und vertikalen Konzentrationsgradienten vierBedingungen für die Morphologie von effizienten Solarzellen definiert. Anhanddieser vier Bedingungen wurden verschiedene Annealingverfahren und derenAuswirkungen auf die Morphologie von P3HT:PCBM-Solarzellen untersucht. DieSchwerpunkte in dieser Arbeit liegen erstens in der Erforschung der Morphologieder Solarzellen und zweitens in der Untersuchung schneller Annealingverfahren. Verglichen werden elektrische Bauteilmessungen mit morphologischen Untersuchungen. Durch die Verwendung der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) können P3HT-reiche und PCBM-reiche Domänen in einer Nanometerauflösung getrennt voneinander dargestellt werden.Zu Beginn werden die Effekte des thermischen Annealings auf P3HT:PCBM-Solarzellen untersucht. Es konnte ein schneller Anstieg der Effizienz gezeigt werden.Dieser wird auf einen verbesserten Ladungstransport durch Netzwerkbildungund Teilkristallisierung von P3HT zurückgeführt. Anhand der Untersuchung desvertikalen Konzentrationsverlaufs konnte keine bevorzugte Stromrichtung in derMorphologie gefunden werden.Zur Untersuchung von schnellen Annealingprozessen wurden Solarzellen mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenspektralbereich bei 2, 45 GHz bestrahlt. Dabei konnte eine Absorption der Strahlung in Abhängigkeit vom Oberflächenwiderstand gezeigt werden. Durch die Erwärmung der ITO-(Indiumzinnoxid) Anode ließen sich die P3HT:PCBM-Schichten durch steile Temperaturrampen in nur wenigen Sekunden effizient herstellen. Morphologieuntersuchungen bestätigten eine sehr schnelle Strukturbildung in der P3HT:PCBM-Schicht.Abschließend konnten durch die Verwendung von Nitrobenzol als LösemitteladditivSolarzellen auch ohne Annealingschritt effizient gebaut werden. Abhängigvon der Nitrobenzolkonzentration findet während des Lösemittelverdampfens beider Beschichtung eine Kristallbildung von P3HT statt. Gezeigt werden konntedie Ausbildung eines P3HT:PCBM-Netzwerks während der Beschichtung. DiesesNetzwerk verursacht einen vertikalen Konzentrationsgradienten und ermöglicht denBau von sehr temperaturstabilen Solarzellen.1C. W. Tang. Two-layer organic photovoltaic cell. Appl. Phys. Lett., 48(2):183-185, 1986.