Spinsensitive photophysikalische Charakterisierung elektronischer Zustände und Prozesse in neuartigen Donator-Akzeptor Copolymeren für die Anwendung in hocheffizienten organischen Solarzellen

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Stefan Väth

Die jüngsten Entwicklungen auf umweltpolitischer Ebene sprechen für einen verstärkten Einsatz regenerativer Energieformen zur zukünftigen Energieversorgung. Das größte Entwicklungspotential liegt dabei in der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dabei stellen vor allem niedrige Effizienzen bei gleichzeitig hohen Kosten ein entscheidendes Problem der derzeitigen Photovoltaik dar. Einen vielversprechenden Ansatz, die Anwendungsmöglichkeiten der Photovolatik zu erweitern, bieten organische Dünnschichtsolarzellen. Deren Eigenschaften können durch gezielte Materialsynthese an den entsprechenden Verwendungszweck angepasst werden. Außerdem werden sie mittels Rolle-zu-Rolle Verfahren bei niedrigen Temperaturen prozessiert, was günstige Herstellungskosten ermöglicht. Damit dienen die organischen Solarzellen als Ergänzung zu den etablierten, anorganischen Zellen und werden bereits heute in Nischenanwendungen eingesetzt, um den Anteil an regenerativen Energien bei der Energieversorgung weiter zu steigern.
Ziel dieser Arbeit soll sowohl die Erforschung effizienzlimitierender Prozesse, als auch die Erhöhung der intrinsischen Lebensdauer von, auf hocheffizienten Donator-Akzeptor Copolymeren basierenden, organischen Solarzellen sein. Hier spielen vielfältige Mechanismen eine Rolle, die bei den Umwandlungs- und Energiekonversionsprozessen von Licht in extrahierte Ladungsträger ablaufen. Es werden  Messmethoden etabliert, die die schnelle und zuverlässliche Charakterisierung bestehender und zukünftiger Materialien auf ihre Einsatzmöglichkeiten in der organischen Photovoltaik ermöglichen, was enorm wichtig für dieses schnell anwachsende, interdisziplinäre Forschungsgebiet ist. Dadurch werden essentielle Beiträge geleistet, die bei der Herstellung organischer Solarzellen mit deutlich erhöhten Effizienzen und Lebensdauern von Bedeutung sind. Desweiteren werden die gewonnenen Erkenntnisse dem Fachbereich Chemie zugänglich gemacht, um weitere Verbesserungen der photoaktiven Materialien zu gewährleisten. Hierfür werden spinsensitive Messmethoden verwendet, die auf dem Prinzip der Elektronenspinresonanz basieren. Dabei ermöglicht die quantenmechanische Eigenschaft des Elektronenspins eine direkte Adressierung der vorliegenden Anregungszustände. Somit liefern die verwendeten Messmethoden die  einzigartige Möglichkeit sämtliche Schritte von primärer Anregung über vorkommende Transferzustände bis  hin zu Ladungsträgertransport und -extraktion einzeln ansprechen und charakterisieren zu können. Durch die Verknüpfung mit Morphologieuntersuchungen werden damit neue Erkenntnisse über die Umwandlung von Sonnenenergie zu elektrischem Strom in der organischen Photovoltaik gewonnen.

Förderzeitraum:
01.07.2012 - 30.06.2015

Institut:
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Fakultät für Physik und Astronomie
Experimentelle Physik VI

Betreuer:
Prof. Dr. Vladimir Dyakonov

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Publikationen:

  • Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons
    Sci. Rep., 3, 1637 (2013)
  • Room temperature quantum microwave emitters based on spin defects in silicon carbide
    Nat. Physics, 10, 157 (2014)
  • Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide
    Phys. Rev. Lett., 109, 22, 226402 (2012).
  • Persistent Photovoltage in Methylammonium Lead Iodide Perovskite Solar Cells
    APLMater., 2, 081501, (2014)
  • Light-induced electron spin resonance study of galvinoxyl-doped P3HT/PCBM bulk heterojunctions
    Organic Electronics, 27, 119 (2015)
  • Identification of Trap States in Perovskite Solar Cells
    J. Phys. Chem. Lett., 6, 2350, (2015)
  • Direct Observation of Spin States Involved in Organic Electroluminescence Based on Thermally Activated Delayed Fluorescence
    Adv. Optical Mater., 5, 1600926 (2017)
  • Analysis of Triplet Exciton Loss Pathways in PTB7:PC70BM Bulk Heterojunction Solar Cells
    Sci. Rep., 6, 29158 (2016)