Charge Transport and Recombination Dynamics in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Andreas Baumann

Die Notwendigkeit, kostengünstige Photovoltaikmodule bereitzustellen, erfordert neue Lösungsansätze für Effizienzsteigerungen und Kostenoptimierungen. Die derzeit für Photovoltaik genutzten Systeme, basierend z.B. auf Silizium, sind sehr weit ausgereift, haben aber nur ein begrenztes Kostensenkungspotential.Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es, organische Solarzellen in Hinblick auf effizienzlimitierende Prozesse zu untersuchen. Dabei sollen insbesondere die Verlustmechanismen der drei grundlegenden Prozessschritte Photonenabsorption, Ladungsträgergeneration und Ladungstransport betrachtet werden. Durch gezielte Experimente und Modellierungen soll somit ein detaillierter, physikalischer Einblick in die Funktionsweise innerhalb der Solarzelle ermöglicht werden. Das gewonnene Verständnis findet anschließend in einer gezielten Optimierung der photovoltaischen Zellen Anwendung.Der experimentelle Schwerpunkt liegt dabei auf den bisher nur unvollständig verstandenen Schritten Generation und Transport von Ladungsträgern.Die Photovoltaik beschäftigt sich mit der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Neben der herkömmlichen auf Silizium basierten Photovoltaik, die bereits erfolgreich auf unseren Dächern und Flächen zur Energiegewinnung genutzt wird ist im letzten Jahrzehnt unter anderem die organischen Photovoltaik in den Vordergrund des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Im Gegensatz zur anorganischen Photovoltaik (Silizium, Germanium), werden bei der organischen Photovoltaik organische Halbleiter, wie konjugierte Polymere, und C60-Moleküle (Buckminster-Fullerene) zur Energieerzeugung herangezogen. Konjugierte Polymere verfügen über einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten. Demnach ist bereits eine dünne Polymerschicht von etwa 100 nm ausreichend, um genügend Sonnenlicht zur Stromgewinnung einzufangen. Der geringe Materialverbrauch und die Möglichkeit organische Solarzellen aus der Flüssigphase großflächig aufzubringen (z.B. mittels herkömmlicher Druckverfahren) machen die organische Photovoltaik zu einer kostengünstigen Alternative im Bereich regenerativer Energiequellen. Das Polymer allein vermag allerdings nicht das einfallende Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, da die erzeugten Elektronen-Loch-Paare (Exzitonen) über eine hohe Bindungsenergie verfügen. Für die Trennung der Exzitonen werden deshalb z.B. Fullerene, wie PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester) beigemischt, die eine hohe Elektronenaffinität besitzen und demnach dem Polymer das Elektron entziehen und nur noch das Loch auf der Polymerkette zurückbleibt. Dieser Prozess vollzieht sich an nahezu jeder Polymer-Fulleren Grenzfläche. Da beide Materialien bei der Prozessierung vermischt werden, sind viele Grenzflächen vorhanden, was eine äußerst effiziente Ladungstrennung und damit eine effiziente Stromerzeugung zur Folge hat. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten Mischübergangssolarzelle (oder engl.: „Bulk Heterojunction Solar Cell“ (BHJSC)). Der Ladungstransport in organischen Halbleitern, wie etwa dem konjugierten Polymer P3HT (Poly-3-Hexylthiophen), vollzieht sich wesentlich langsamer, als in anorganischen Halbleitern wie beispielsweise in Silizium. Dieser um Größenordnungen langsamere Transport von Elektronen und Löchern innerhalb des aktiven Materials ist mit ein entscheidender Faktor für den eher niedrigen Wirkungsgrad von etwa 4 % im Falle des untersuchen Materialsystems von P3HT:PCBM im Vergleich z.B. zu Silizium-Solarzellen mit etwa 16-20 %.

Förderzeitraum:
01.08.2007 - 31.07.2010

Institut:
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Physikalisches Institut
Experimentelle Physik 6

Betreuer:
Prof. Dr. Vladimir Dyakonov

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: http://www.zae-bayern.de

Organische Photovoltaik
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