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Polymer Solarzellen

Organische Solarzellen bieten im Vergleich zu den traditionellen auf Silizium basierenden Solarzellen viele neuartige technologische Möglichkeiten. Die größten Vorteile sind hierbei wohl die geringen Herstellungskosten, die geringere Umweltbelastung und die mechanische Flexibilität. Diese Eigenschaften eröffnen ein Feld völlig neuer Anwendungsmöglichkeiten.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt momentan zum einen auf der Verbesserung der Effizienz der Solarzellen, welche zurzeit bei 8,3% (Konarka Inc.) liegt, zum anderen auf der Verlängerung der Lebensdauer.

Unsere Forschung richtet sich auf die Morphologie der Absorber-Schicht, die mit verschiedenen mikroskopischen Techniken untersucht wird. Die untersuchten Solarzellen werden hergestellt von der Arbeitsgruppe von U. Lemmer (Lichttechnisches Institut, KIT).

Fig 1: Vereinfachte Darstelling einer organischen Solarzelle

Die Absorberschicht enthält zwei organische Halbleitermaterialien: als Akzeptor das Fulleren-Derivat PCBM und als Donator-Material P3HT (Poly(3-Hexylthiophen)). Der Grad der Entmischung dieser beiden Stoffe ist ausschlaggebend für die Leistung der Solarzelle, da die Exzitonen, die durch die einfallenden Photonen gebildet werden, aufgrund ihrer hohen Bindungsenergie nur an der Grenzfläche zwischen Donator und Akzeptor getrennt werden können. Auf der anderen Seite müssen die beiden unterschiedlichen Polymer-Phasen groß genug sein, damit der Ladungstransport zu den Elektroden gewährleistet ist. In der Abbildung links ist eine vereinfachte Abbildung einer organischen Solarzelle mit Phasenseparation in der Absorberschicht zu sehen.

 

Bis jetzt gibt es wenige zufriedenstellende Methoden um die verschiedenen Phasen in der photoaktiven Schicht abzubilden. Dies liegt daran, dass die mittleren Ordnungszahlen und die Dichten der beiden Materialien sehr ähnlich sind und es sich bei beiden Stoffen um schwach streuende Materialien handelt. Dazu kommt noch dass beide Materialien sehr strahlungsempfindlich sind.

Um diese Probleme zu umgehen, verwenden wir verschiedene neue elektronenmikroskopische Techniken, wie die „low Energy scanning transmission electron microscopy“ (Low-keV-STEM) oder Phasenplatten-TEM um die Morphologie der Absorberfilme abzubilden. Die beiden unten stehenden Abbildungen zeigen zwei HAADF ("high-angle annular-dark field") STEM Abbildungen einer Absorberschicht, bestehend aus P3HT:PCBM. Bei den großskaligen Strukturen im linken Bild handelt es sich um Dickenvariationen in der Absorberschicht. Erst bei höherer Vergrößerung (rechtes Bild) ist die Nanomorphologie der Solarzelle in Form von kristallinen P3HT-Nadeln zu erkennen.


HAADF-Abbildung organischer Solarzellen

 

Selected conference poster presentations:

 Applications of low-energy STEM for the investigation of carbon-based materials for organic solar cells (pdf)

 Nanomorphology of P3HT:PCBM-based organic solar cells analyzed by low-energy scanning transmission electron microscopy

 

 

Ausgewählte Veröffentlichungen:

Organische Solarzellen:

[1] M. Pfaff, E. Müller, D. Gerthsen, M.F.G. Klein, A. Colsmann, U. Lemmer,
Low-energy electron transmission measurements of thin polymer films in a scanning electron microscope,
in W. Grogger, F. Hofer, P. Pölt (Eds.), Proc. MC2009 Microscopy Conference, Graz, Austria (2009),
Vol. 1: Materials Science, p. 215, Verlag der TU Graz 2009

[2] M. F. G. Klein, M. Pfaff , E. Müller, J. Czolk, M. Reinhard, S. Valouch, U. Lemmer, A. Colsmann and D. Gerthsen.
Poly(3-hexylselenophene) solar cells: Correlating the optoelectronic device performance and nanomorphology imaged by low-energy scanning Transmission electron microscopy.
Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 50, 198-206 (2012)

[3] M. Pfaff , M. F. G. Klein, E. Müller, P. Müller, A. Colsmann, U. Lemmer and D. Gerthsen.
Nanomorphology of P3HT:PCBM-based absorber layers of organic solar cells after di erent processing conditions analyzed
by low-energy scanning transmission electron microscopy.
Microscopy & Microanalysis 18, 1380-1388 (2012)

[4] M. F. G. Klein, F. M. Pasker, S. Kowarik, D. Landerer, M. Pfaff , M. Isen, D. Gerthsen, U. Lemmer, S. Höger and A. Colsmann.
Carbazole-phenylbenzotriazole copolymers as absorber material in organic solar cells.
Macromolecules 46, 3870-3878 (2013).

[5] M. Pfaff , P. Müller, P. Bockstaller, E. Müller, J. Subbiah, W. W. H. Wong, M. F. G. Klein, W. Pisula, A. Kiersnowski,
S. R. Puniredd, W. Pisula, A. Colsmann,D. Gerthsen and D. J. Jones.
Bulk heterojunction nanomorphology of fluorenyl hexa-peri-hexabenzocoronene-fullerene blend lms.
ACS Applied Materials and Interfaces 5, 11554-11562 (2013)

 

Organische LED:

[1]S. Höfle, H. Do, E. Mankel, M. Pfaff , Z. Zhang, D. Bahro, W. Jaegermann, D. Gerthsen, C. Feldmann, U. Lemmer and A. Colsmann.
Molybdenum oxide anode bu er layers for solution processed, blue phosphorescent small molecule organic light emitting diodes.
Organic Electronics 14, 1820-1824 (2013)

[2]S. Höfle, M. Pfaff , H. Do, C. Bernhard, D. Gerthsen, U. Lemmer and A. Colsmann.
Suppressing molecular aggregation in solution processed small molecule organic light emitting diodes.
Organic Electronics 15, 337–341 (2014)