Spectroscopic Ellipsometry Study on the Morphology of Polymer/Fullerene Solar Cells

Engmann, Sebastian

Die Untersuchung organischer Solarzellen stellt ein vielversprechendes interdisziplinäres Forschungsgebiet dar, versprechen sie doch eine günstige Alternative zu anorganischen Solarzellen. Ihr geringes Gewicht und hohe Flexibilität ermöglichen es der organischen Photovoltaik (OPV) in neue Bereiche, wie der Integration in architektonischen Design-Elementen und intelligenter Kleidung, Verwendung zu finden. Dennoch fehlt es noch an kommerzielle Anwendungen, da die OPV fundamentale Probleme überwinden muss. Zu nennen sei hier die geringe Stabilität der organischen Materialien gegenüber Wasser und Sauerstoff bei gleichzeitiger Beleuchtung, als auch morphologische Degradation. Die photoaktive Schicht ist typischerweise eine selbstorganisierte Mischung aus zwei oder mehreren organischen Verbindungen und erfordert daher sehr anspruchsvolle Strukturmanipulation, da die Mischungsmorphologie in äußerstem Maße die Solarzellleistung bestimmt. Es ist von inhärenter Bedeutung die Morphologie aktiv zu steuern, um organische Solarzellen mit höchstmöglicher Effizienz zu produzieren. Das Verständnis zwischen morphologischer Struktur und Solarzelleneigenschaften ist hierzu unentbehrlich. Diese Arbeit hatte zum Ziel, die morphologische Struktur von Polymer/Fulleren-Mischschichten durch ein optisches und daher zerstörungsfreies Verfahren zu untersuchen: winkelvariierende spektroskopische Ellipsometrie (Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)). Obwohl die dargestellten neu entwickelten Messroutinen und optischen Modelle für beliebige Systeme Anwendung finden können, wurde als zu untersuchendes Materialsystem auf Mischungen des weitverbreiteten Polymers Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und dem Fullerenderivat Phenyl-C$61$-Buttersäure-methylester (PCBM) zurückgegriffen. Dies ist dem Gedanken geschuldet die gewonnen Ergebnisse der optischen Modellierung, entsprechend einer indirekten Messung, mit möglichst vielen bereits etablierten Messverfahren zur Morphologieuntersuchung zu vergleichen. Zudem zeigen Polythiophen/Fulleren-Mischungen viele physikalisch höchst interessante Eigenschaften, wie die Kristallisation einer oder beider Komponenten, und die Entmischung der photoaktiven Schicht. %Aufgrund dieser Effekte und der zu erreichenden hohen Solarzelleffizienzen, stellt P3HT/PCBM das Standardmaterialsystem der OPV Forschergemeinschaft dar. In dieser Arbeit wurde die Kristallisation und räumliche Ordnung der Polymerkomponente in P3HT/PCBM-Mischschichten für verschiedene Fulleren-Konzentrationen innerhalb der photoaktiven Schicht untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Fulleren-Phase stark die Anordnung der Polymer-Komponente beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein neues optisches Modell entwickelt, welches die quantitative Unterscheidung zwischen höher und weniger geordneten Polymer-Domänen ermöglicht. Mit diesem Modell ist es erstmals gelungen zu zeigen, dass spinodale Entmischung und das resultierende Fulleren-Konzentrationsprofil über der Schichtdicke die Keimbildung und das Wachstum von geordneten Polymer-Domänen, sowie den Volumenanteil von geordneten Polymerdomänen innerhalb des Filmprofils maßgeblich kontrollieren. Ein Highlight dieser Arbeit ist die Tiefenprofilierung der Fullerene- Konzentration und der Verteilung geordeneter Polymer-Domänen in vollständigen Solarzellstrukturen, im Gegensatz zu der allgemein üblichen Praxis die Morphologie in separat präparierten Schichten auf Silizium oder Glas-Substraten zu untersuchen. Dies ist speziell zur Untersuchung der Grenzflächeninteraktion des Polymer/Fulleren-Gemisches mit der Elektrode während eventueller Temperschritte höchst interessant. Durch die gezeigte zerstörungsfreie Tiefenprofilierung vollständiger Solarzellen wird erstmals die Möglichkeit eröffnet in situ Studien über die Langzeitstabilität der Morphologie und der Elektrodengrenzflächen durchzuführen, da die Möglichkeit besteht dasselbe Bauelement sowohl elektrisch als auch optisch zu Untersuchen. Hierdurch können kleinste morphologische Änderungen direkt mit der Solarzellenleistung korreliert werden.

Organic photovoltaics (OPV) are a blooming new research field, as they promise a cheap alternative to inorganic solar cells. Their light weight and flexibility enables them to be used in emerging sectors such as smart clothing and architectural design elements. Nevertheless, commercial applications are missing as OPV still experiences a few fundamental problems. To mention here are the poor stability against water and oxygen when exposed to light, as well as morphological degradation over time. The photoactive layer is typically a self-organized blend of two or more organic compounds which requires highly challenging device engineering as the blend morphology strongly affects the device performance. In order to produce organic solar cells with maximum efficiency, it is of crucial importance to monitor and modify the morphology. Therefore, understanding the correlation between morphological structure and device properties is indispensable. The aim of this work was to investigate the morphological structure of polymer/ fullerene blend films by an optical and non-destructive method, the Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE). Although the measurement routines and optical models developed in my study are adaptable to other OPV systems, the system under investigation consisted of blends of the widely used polymer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and the fullerene derivative phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). Polythiophene/fullerene blends show many physically interesting properties, such as the crystallization of one or both of the components and the blend demixing upon thermal annealing. Because of the excellent thermal and chemical stability as well as good light-harvesting and charge-transporting properties, P3HT/PCBM is the standard material system of the OPV research community. Thus all of the indirect results that I have obtained by optical modeling, could be compared with a variety of other more direct measurement techniques existing in the literature. In the first part of the study, the crystallization and spatial order of the polymer component within P3HT/PCBM blends was investigated for various fullerene concentrations within the photoactive blend. It could be shown that the fullerene phase strongly affects the ordering of the polymer component. In this context, a new optical model was developed which enables quantitative distinction between higher ordered and lower ordered polymer domains. This model strongly suggests that spinodal decomposition and the resulting fullerene distribution over the film thickness drive the polymer nucleation and determine the volume fraction of ordered polymer domains over the film thickness. In the final part of the study, the depth profiling of the fullerene concentration and the distribution of highly ordered polymer domains within complete solar cell devices, was investigated. This opens the door for the in situ investigation of solar cells, which is of high interest in order to enable investigations of the interface interactions between the polymer/fullerene blends and the electrode during additional annealing steps, and its influence on the morphology. The shown ability to measure complete solar cells in a non-destructive manner, moreover opens the possibility to correlate the long-term stability studies of the blend morphology and the electrode interfaces during operation to the electric device performance.

Zitieren

Zitierform:

Engmann, Sebastian: Spectroscopic Ellipsometry Study on the Morphology of Polymer/Fullerene Solar Cells. 2014.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Export