Neue Wege für effiziente organische Solarzellen

Die Leistungsfähigkeit von OPV-Mischfilmen – binäre Mischungen von Elektronendonator- und Elektronenakzeptormaterialien – liegt bei annähernd 10 %. Verschiedene Verlustmechanismen, die die Extraktion photoerzeugter Ladungsträger verhindern, sind für diese geringe Energieumwandlungseffizienz verantwortlich. Diese werden vor allem der unvorteilhaften Nanomorphologie von OPV-Mischungen zugeschrieben, welche anstatt einer Extraktion freier Ladungsträger eine Rekombination freier Ladungsträger begünstigen.

Die Wissenschaftler initiierten das von der EU geförderte Projekt „Delayed luminescence spectroscopy of organic photovoltaic systems“ (DELUMOPV), um weitere Erkenntnisse zu den Prozessen zu erlangen, die derzeit die Energieumwandlungseffizienz lösungsbearbeiteter organischer OPV-Geräte begrenzen. Daher stand die Entwicklung einer Methode zur Abstimmung der Schichtnanomorphologie für eine günstige Extraktion von Ladungsträgern und eine Erhöhung der Photostromerzeugung im Mittelpunkt. Ferner wurde im Rahmen des DELUMOPV-Projekts versucht, alternativ zu den gegenwärtig verwendeten kostspieligen Fulleren-Derivaten weitere Elektronenakzeptoren zu identifizieren.

Die Wissenschaftler bestätigten, dass die verzögerte Lumineszenzintensität bei verzögerten Excimer-Zuständen (delplex) auf der Mikrosekundenzeitskala mit der Photostromerzeugungseffizienz von OPV-Geräten zusammenhängt. Vor allem die Zerfallsdynamik bei der verzögerten Lumineszenz bei Ladungstransferzuständen lieferte hilfreiche Informationen im Hinblick auf den Ladungstransport bei den untersuchten photoaktiven Schichten. Die Ergebnisse der elektrischen, feldinduzierten Photolumineszenzlöschexperimente zeigten, dass die Rekombination freier Ladungsträger und in OPV-Geräten eingeschlossene Ladungsträger für die verzögerte Ladungstransferlumineszenz verantwortlich sind.

Die Wissenschaftler entwarfen eine hochmoderne Spektroskopieeinrichtung, um die verzögerte Lumineszenz bei verschiedenen Materialkombinationen zu untersuchen. Dies schloss die Verwendung verschiedener nicht fullerenbasierter Elektronenakzeptormaterialien und Polymer-Elektronendonatormatrizen ein. Über mikroskopische Techniken beobachteten die Wissenschaftler einen bislang in OPV-Polymerverbundstoffen nicht identifizierten „Memory“-Effekt. Die Verwendung einer dünnen Zwischenschicht in OPV-Geräten, die aus einer photoaktiven Polymerschicht hergestellt wurde, half bei der Abstimmung der Morphologie, um die Ladungsträgerextraktion zu optimieren.

Die DELUMOPV-Aktivitäten waren darauf ausgerichtet, den Wettbewerbsvorteil der EU im Bereich der organischen Elektronik und der organischen Photovoltaik aufrechtzuerhalten. Die Projektergebnisse sollen als Grundlage für Vergleiche zwischen fulleren- und nicht fullerenbasierten OPV-Systemen dienen. Hierdurch sollen Wissenschaftler ein hilfreiches Feedback erhalten, das die Gestaltung von Molekularstrukturen der nächsten Generation ermöglicht, welche vorteilhafte Eigenschaften von sowohl Fullerenen als auch von verschiedenen Polymeren in sich vereinen.