Einfluss der Elektroden auf die Stabilität von Polymersolarzellen

Rösch, Roland GND

Organic photovoltaics is about to become a competitor fort he established inorganic thin film photovoltaic technologies. It inhibits several important advantages: flexibility, light weight, and potential semi-transparency and production speed. Even the photovoltaic power conversion efficiency is reaching comparable values. At the moment the devices’ lifetime is the limiting factor for commercialization. For the degradation mechanisms of the devices, analogies can be seen for the between organic photovoltaics and organic light emitting diodes. For both cases, the current collecting electrodes were identified as the major reason for degradation.The experimental approach of this thesis to elucidate the different degradation pathways in organic photovoltaic devices is to use several imaging methods together with standard current voltage characteristics. In combination with the knowledge about the layer structure of the device under test, not only lateral information but also in depth information can be derived to some extent. Distinct conclusions about device degradation can be derived by applying all these methods with timely resolution. The advantages of imaging methods about direct methods for material analysis are reduced costs, low time consumption and that they are non-destructive.The main results of this thesis include new insights to the process of oxidation of different electrode materials, the stabilizing influence of a titanium oxide interlayer, the influence of substrates and encapsulations on the degradation of organic solar cells and last but not least to the intrinsic degradation. A polymer solar cell in conventional architecture with several years of lifetime could be demonstrated.

Die organische Photovoltaik ist im Begriff zu einer marktwirtschaftlichen Konkurrenz zur etablierten anorganischen Dünnschichtphotovoltaik zu werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: das Zusammenspiel aus Flexibilität, geringem Gewicht, potentieller Semitransparenz und sehr hoher Produktionsgeschwindigkeit kann in seiner Gesamtheit im Moment keine andere Technologie vorweisen. Auch die geringe Energieeffizienz, welche lange Zeit der größte Schwachpunkt der organischen Photovoltaik war, ist im Begriff an die etablierte anorganische Dünnschichtphotovoltaik heran zu reichen. Im Moment ist die Lebensdauer der Bauelemente der limitierende Faktor. Bei den Ursachen der limitierten Bauelementlebensdauer sind Parallelen zu den organischen Leuchtdioden zu erkennen. In beiden Fällen wurden die instabilen Elektroden als der Hauptgrund der Degradation identifiziert.Der experimentelle Ansatz dieser Arbeit zur eingehenden Untersuchung von Degradationsmechanismen von organischen Solarzellen ist der Einsatz von verschiedenen bildgebenden Methoden in Kombination und mit zeitlicher Auflösung, welcher in dieser Arbeit so das erste mal demonstriert wurde. Im Zusammenspiel mit den dazugehörigen I-V-Kennlinien und dem Wissen über den Zellaufbau kann so nicht nur eine laterale Informationen über die Probe generiert werden, sondern auch eine gewisse Tiefeninformation. Zusammen mit den zeitlich aufgelösten Informationen sind so Aussagen über materialbezogene Degradationsprozesse innerhalb der Solarzellstruktur möglich. Die Vorteile dieser bildgebenden Methoden gegenüber direkten Methoden zur Materialuntersuchung sind die im Vergleich geringen Kosten, der geringe Zeitaufwand und die Zerstörungsfreiheit.Die Alterung von organischen Solarzellen wurde in dieser Arbeit durch künstliche Beleuchtung simuliert und durch Bestimmung ihrer I-V-Kennlinien in-situ ihre Lebensdauer bestimmt.Als Ergebnis konnten durch die oben genannten Methoden neue Erkenntnisse über die Oxidation von Elektroden verschiedenen Materials, den stabilisierenden Einfluss von Titanoxidzwischenschichten auf die Grenzfläche Aktivschicht – Kathode, die Wirkung von Substraten und Versiegelungen auf die Degradation von Polymersolarzellen, aber auch den Anteil der intrinsischen Degradation gewonnen werden. Eine normale Solarzellarchitektur mit potentiell mehreren Jahren Lebensdauer unter realen Bedingungen wurde vorgestellt.

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Rösch, Roland: Einfluss der Elektroden auf die Stabilität von Polymersolarzellen. 2013.

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