Donor-acceptor polymers for organic solar cells

Titelangaben

Saller, Christina:
Donor-acceptor polymers for organic solar cells.
Bayreuth , 2018 . - VIII, 222 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Photovoltaics present an interesting option for the energy production using renewable sources. As the sun provides inexhaustible amounts of energy, the global energy consumption could in principle be covered by electricity from solar cells. Organic solar cells present a promising alternative to inorganic devices, although the lower efficiencies and the lack of long-term stability hinder the commercialization so far. In bulk heterojunction solar cells, the efficiency decrease arises from the diffusion of small molecule acceptors. Furthermore, the deposition of a second material on top of a first layer leads to the damage of underlying layers in multilayer devices as well as the dissolution of nanostructured morphologies. For an efficient improvement of organic solar cells, the device degradation has to be extensively studied and strategies for the fabrication of long-term stable devices have to be deduced.Crosslinking is a versatile option to achieve increased stability. The diffusion of small acceptor molecules in bulk heterojunction solar cells can be limited by deploying a crosslinked donor polymer matrix. The insolubility of a crosslinked polymer layer or interface structure allows the deposition of a second layer on top without damage of the underlying device. In addition, the understanding and improvement of organic photovoltaic devices require extensive studies on both charge carrier generation and recombination processes at the donor-acceptor interface of the active layer. This thesis deals with the modification of the well-established low bandgap polymers PCDTBT and PCPDTBT that are applied as donor materials in organic planar heterojunction solar cells. By this means, contributions to both optimized device fabrication as well as basic investigations were achieved. The synthetic modifications are classified into two parts. On the one hand, PCDTBT and PCPDTBT derivatives bearing crosslinkable units at the side chains of the donor monomers were realized. Oxetane was selected as the crosslinkable group because of its compatibility with the Suzuki coupling reaction and the possibility to initiate the crosslinking reaction by acid vapour. On the other hand, the polymer backbone of PCDTBT was modified with triphenyldiamine moieties exhibiting good hole transport properties. Furthermore, the attachment of aliphatic spacers to the acceptor moiety received a series of copolymers exhibiting different characteristics. Besides the chemical, thermal, optical and electronic characterisation of the synthesized polymers, the modifications of the polymers were evaluated. This included studies about the polymer properties in dependence of the crosslinking process and conditions as well as investigations about the variation of the polymer characteristics due to the incorporation of the additional donor monomer and the aliphatic sidechains at the acceptor units. One part of this thesis deals with a first three-layer device realized by solution processing due to the application of a crosslinked and insoluble polymer interlayer that allows the spin coating of the donor polymer on top. An increased external quantum efficiency as well as a higher efficiency of 1.8% compared to the bilayer reference cells with 1.6% efficiency were achieved with the three-layer cell due to the exciton blocking effect of the interlayer. The low bandgap copolymer series realized by the incorporation of an additional comonomer and aliphatic spacers in the PCDTBT structure was used to conduct fundamental investigations. The PCDTBT modified with triphenyldiamine moieties was chosen for the evaluation of the intrinsic contribution of the acceptors C60 and PCBM to the overall photocurrent. EQE measurements of single layer cells in dependence of the excitation energy revealed that the delocalization of the excitons and thus the intrinsic dissociation of both acceptors was enhanced with increasing photon energy. In a further study, the monomolecular and bimolecular recombination mechanisms in organic solar cells were addressed by the use of the PCDTBT-based donor polymer with triphenyldiamine units and aliphatic spacers at the acceptor monomer. Current-voltage characteristics showed that the fill factor decreased with increasing donor layer thickness at low light intensities due to geminate recombination. Higher light intensities induced non-geminate recombination that became higher for increasing layer thickness and was responsible for the further decreasing fill factor. A further aspect of this work was the investigation of the diffusion behaviour of C60 through different polymers with and without additional triphenyldiamine unit and aliphatic sidechains using a novel bilayer setup. A crosslinked polyfluorene was used to verify the novel bilayer setup in comparison to previously used three-layer samples. Temperature dependent photoluminescence measurements showed that fullerene diffusion occurs already below the glass transition temperature because of the local motion of sidechains that allows the diffusion of the small molecule acceptor. In conclusion, this work contributes to both fundamental research topics covering photogeneration and charge carrier recombination and device fabrication studies towards the optimization of organic solar cells with respect to long-term stability. Different donor polymers were thus synthesized with modifications to the basic polymer structures of PCDTBT and PCPDTBT like the introduction of the crosslinking ability or the incorporation of an additional comonomer and aliphatic spacers.

Abstract in weiterer Sprache

Die Photovoltaik stellt eine interessante Möglichkeit für die Energieproduktion aus erneuerbaren Quellen dar. Da die Sonne unerschöpfliche Energiemengen liefert, könnte der weltweite Stromverbrauch prinzipiell mit Strom aus Solarzellen produziert werden. Organische Solarzellen stellen eine vielversprechende Alternative zu anorganischen Solarzellen dar, obwohl die geringeren Effizienzen und die mangelnde Langzeitstabilität bisher die Kommerzialisierung erschweren. In Bulk-Heterojunction-Solarzellen ist die Abnahme der Effizienz auf die Diffusion niedermolekularer Akzeptormoleküle zurückzuführen. Weiterhin führt bei Mehrschichtzellen das Aufbringen eines zweiten Materials auf eine erste Schicht zur Schädigung der darunterliegenden Schichten sowie zur Auflösung von nanostrukturierte Morphologien. Für eine effiziente Verbesserung von organischen Solarzellen muss die Degradation der Zelle intensiv untersucht und daraus Strategien für die Herstellung von langzeitstabilen Solarzellen abgeleitet werden. Vernetzung stellt eine vielfältige Möglichkeit dar, um eine erhöhte Stabilität zu erreichen. Die Diffusion von kleinen Akzeptormolekülen in Bulk-Heterojunction-Solarzellen kann eingeschränkt werden, wenn eine vernetzte Polymermatrix eingesetzt wird. Die Unlöslichkeit einer vernetzten Polymerschicht oder Grenzflächenstruktur erlaubt das Aufbringen einer zweiten Schicht ohne Schädigung des darunterliegenden Bauteils. Darüber hinaus erfordern das Verständnis und die Verbesserung von organischer Photovoltaik intensive Studien sowohl über die Ladungsträgergenerierung als auch über die Rekombinationsprozesse an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche der aktiven Schicht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modifikation der bekannten Low-Bandgap-Polymere PCDTBT und PCPDTBT, die als Donormaterialien in organischen Planar-Heterojunction-Solarzellen eingesetzt werden. Auf diese Weise konnten Beiträge zur Optimierung der Herstellung von Solarzellen als auch zu grundlegenden Forschungsthemen erzielt werden. Die synthetischen Modifikationen sind in zwei Teile gegliedert. Zum einen wurden Derivate von PCDTBT und PCPDTBT realisiert, die vernetzbare Einheiten an den Seitenketten der Donormonomere tragen. Oxetan wurde aufgrund seiner Kompatibilität mit der Suzuki-Kupplungsreaktion und der Möglichkeit, die Vernetzungsreaktion mittels Säuredampf zu initiieren, als vernetzbare Gruppe gewählt. Zum anderen wurde das Polymerrückgrad von PCDTBT mit Triphenylamineinheiten, welche gute Lochtransporteigenschaften aufweisen, modifiziert. Weiterhin stand durch die Anbringung von aliphatischen Seitenketten an die Akzeptoreinheit eine Serie von Copolymeren mit verschiedenen Eigenschaften zur Verfügung. Neben der chemischen, thermischen, optischen und elektronischen Charakterisierung der synthetisierten Polymere wurden die Modifikationen der Polymere bewertet. Dies beinhaltete sowohl Studien über die Polymereigenschaften in Abhängigkeit vom Vernetzungsprozess und den Bedingungen als auch Untersuchungen über die Variation der Polymereigenschaften durch die Einarbeitung des zusätzlichen Donormonomers und der aliphatischen Seitenketten an den Akzeptoreinheiten. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer ersten Dreischichtzelle, die mittels Lösungsprozessen realisiert wurde. Durch den Einsatz einer vernetzten und unlöslichen Polymerschicht konnte darauf das Donorpolymer aus Lösung aufgebracht werden. Durch den Excitonen-blockierenden Effekt der Zwischenschicht wurde mit den Dreischichtzellen im Vergleich zu den Zweischicht-Referenzzellen mit 1,6 % Effizienz eine erhöhte externe Quanteneffizienz sowie eine höhere Energieeffizienz von 1,8 % erreicht. Die Serie von Low-Bandgap-Copolymeren, die durch das Einfügen eines zusätzlichen Comonomers und aliphatischer Seitenketten in die PCDTBT-Struktur realisiert wurde, wurde für grundlegende Untersuchungen verwendet. Das modifizierte PCDTBT mit Triphenylamineinheiten wurde für die Evaluierung der intrinsischen Beiträge der Akzeptoren C60 und PCBM zum Gesamtphotostrom ausgesucht. EQE-Messungen der Einschichtzellen in Abhängigkeit von der Anregungsenergie zeigten, dass sich die Delokalisation der Excitonen und damit die intrinsische Dissoziation der beiden Akzeptoren mit steigender Photonenenergie erhöhte. Eine weitere Studie befasste sich mit den monomolekularen und bimolekularen Rekombinationsmechanismen in organischen Solarzellen. Dafür wurde das PCDTBT-basierte Polymer mit Triphenylamineinheiten und aliphatischen Seitenketten am Akzeptormonomer eingesetzt. Strom-Spannungskennlinien zeigten, dass der Füllfaktor mit steigender Donorschichtdicke bei niedrigen Lichtintensitäten aufgrund geminaler Rekombination abnahm. Bei höheren Lichtintensitäten trat nicht-geminale Rekombination ein, die mit steigender Schichtdicke anstieg und für die weitere Abnahme des Füllfaktors verantwortlich war. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Untersuchung des Diffusionsverhaltens von C60 in verschiedenen Polymeren mit und ohne zusätzliche Triphenyldiamineinheit und aliphatischen Seitenketten mit Hilfe eines neuen Zweischichtaufbaus. Ein vernetztes Polyfluoren wurde verwendet, um den neuen Zweischichtaufbau im Vergleich zu vorher eingesetzten Dreischichtproben zu verifizieren. Temperaturabhängige Photolumineszenzmessungen ergaben, dass die Fullerendiffusion bereits unterhalb der Glasübergangstemperatur auftritt, da die lokale Bewegung der Seitenketten die Diffusion des niedermolekularen Akzeptors ermöglicht. Zusammenfassend trägt diese Arbeit sowohl zu grundlegenden Forschungsthemen wie der Photogenerierung und Ladungsträgerrekombination als auch zu Studien über Solarzellenherstellung für die Optimierung von Solarzellen hinsichtlich der Langzeitstabilität bei. Dafür wurden verschiedene Donorpolymere synthetisiert, die Modifikationen der Grundstruktur der Polymere PCDTBT und PCPDTBT wie die Einführung der Vernetzungsfähigkeit oder das Einfügen eines zusätzlichen Comonomers und aliphatischer Seitenketten beinhalteten.