Einfluss hoch permittiver Materialien auf die Eigenschaften organischer Solarzellen

Engel, Miriam

In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Möglichkeit untersucht, um die Effizienz organischer Solarzellen zu steigern. Der Ansatz dafür ist die Reduzierung der Coulomb-Wechselwirkung (WW) durch Integration nicht-leitender high-k Materialien (Material hoher Permittivität) in die organischen Halbleiter. Es wird analytisch gezeigt, dass sich die Coulomb-WW in einem low-k-Material durch die Anwesenheit eines high-k Materials stark reduzieren lässt und wird unter anderem durch die Verwendung der Fluchtenergie verdeutlicht. Experimentell lässt sich mithilfe von Pentacen-Schichten auf Substraten unterschiedlicher, relativer Permittivitäten (εr = 3,7 − 300) zeigen, dass mit steigender Substratpermittivität die Photoleitfähigkeit steigt. Mithilfe des Verhältnisses der optischen generierten Ladungsträgerdichte zur Ladungsträgerdichte im Dunkeln nPh / (nD Pn) kann auf eine gesteigerte Exzitonentrennung geschlossen werden. Dieser Effekt bleibt auch mit der Verwendung von chemisch identischen Al2O3 -Zwischenschichten erhalten. Für die Übertragung dieses Effektes auf Solarzellen, werden high-k, SrTiO3 -Nanopartikel in organische Halbleiter eingebettet. Bei der Untersuchung der effektiven Permittivität der Schicht kann die Permittivität einer reinen P3HT-Schicht von εr,P3HT ≈ 3 auf bis zu εr,SrTiO3:P3HT = 5,3, in Abhängigkeit des Nanopartikelgehaltes, angehoben werden. Es wird weiterhin mithilfe von transienten Absorptionsmessungen gezeigt, dass in einer SrTiO3:P3HT:PCBM-Hybridschicht die Rekombination freier Ladungsträger langsamer erfolgt, als in einer P3HT:PCBM-Schicht. Mithilfe von strukturellen Untersuchungen der Schichten, wird deutlich, dass die Integration von high-k Nanopartikel in die P3HT:PCBM-Schicht zu einer Verarmung an PCBM in der aktiven Schicht führt, welches einer Solarzelleneffizienz entgegen wirken sollte. Dennoch wird im Falle der Hybridsolarzellen eine Effizienzsteigerung von ≈ 17% festgestellt. Diese Steigerung wird der reduzierten Coulomb-WW zwischen freien Ladungsträgern und damit einer gesteigerten relativen Permittivität zugeschrieben.

In the following work a new possibility is shown, to enhance the efficiency of organic solar cells. The new concept is based on the reduction of the Coulomb interaction in the organic semiconductor by integration of an insulating, high-k material. It is shown analytically, that the Coulomb interaction in a low-k Material can be reduced by the pure presence of a high-k material and is shown, for example, with the help of the escape energy. In experiments with the use of pentacene layers on substrates with different permittivities (ε r = 3.7 − 300), it becomes apparent, that with an increase in the substrate permittivity the photoconductivity increases, too. With the determination of the ratio of the photo-generated charge carrier density to the charge carrier density in the dark nPh / (nD Pn), a reduced exciton binding energy can be concluded. The effect of the enhanced exciton separation on substrates with high permittivities remains even with a chemical identical Al2O3 -layer in-between pentacene and substrate. For the transfer of this effect for the use in solar cells, high-k SrTiO3 nanoparticles will be embedded into the layer of the organic semiconductor. When embedded into a pure P3HT layer, the permittivity of the effective permittivity can be increased from εr,P3HT ≈ 3 to εr,SrTiO3:P3HT = 3.6−5.3, in dependence of the nanoparticle concentration. Transient absorption measurements show a reduced recombination rate for charges in a SrTiO3:P3HT:PCBM system compared to a pure P3HT:PCBM layer. With the structural research of the layers used for solar cells, a depletion of PCBM can be detected when integrating the high-k nanoparticles into the P3HT:PCBM layer. This should lead to a degradation of the solar cell power conversion efficiency. Nevertheless, an efficiency-enhancement of ≈ 17% can be detected for the SrTiO3 :P3HT:PCBM hybrid solar cells. This enhancement can be attributed to the reduced Coulomb interaction between the free charge carriers, which is due to the enhanced relative permittivity.

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Engel, Miriam: Einfluss hoch permittiver Materialien auf die Eigenschaften organischer Solarzellen. 2015.

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