Long-Term Stabilization of Organic Solar Cells Using Additives

Turkovic, Vida

Organische Solarzellen (OPV) bestechen durch hohes wirtschaftliches Potenzial. Große Anstrengungen wurden bereits in Hinblick auf die Effizienz unternommen. Aktuelle Spitzenwirkungsgrade liegen bei 12%, vergleichbar mit anorganischen Dünnschichtsolarzellen. Allerdings bleibt die Stabilität eine Schwachstelle auf dem Weg zur Marktreife. Aufgrund ihrer organischen Natur, ist OPV sehr empfindlich gegenüber Licht, Wärme, Sauerstoff und Feuchtigkeit, wobei alle unter Standard-Arbeitsbedingungen gleichzeitig vorliegen. In meiner Arbeit untersuche ich die Stabilisierung gegen photooxidative Degradation, unter Verwendung zusätzlicher stabilisierender Verbindungen, welche direkt in die Aktivschicht eingebracht werden. Hierzu wurde eine Vielzahl an Verbindungen mit unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen im Modell-System Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl):Phenyl-C61-Buttersäure Methylester (P3HT:[60]PCBM) getestet. Die hergestellten Solarzellen wurden unter Beleuchtung, bei mäßiger Temperatur und in Gegenwart von Luft gealtert und ihre Langzeitstabilität evaluiert. Eine enorme Zunahme der akkumulierten Leistungserzeugung um einen Faktor größer 3, unter Verwendung von Wasserstoffdonatoren und UV-Absorbern, konnte mittels spektroskopischer und mikroskopischer Untersuchungen auf eine verringerte Bildung freier Radikale zurückgeführt werden. Meine Arbeit unterstreicht das Potenzial von Additiven zur Stabilisierung von OPV. Es muss allerdings beachtet werden, dass das Additiv die Schichtmorphologie und photophysikalischen Prozesse innerhalb der photoaktiven Schicht nicht negativ beeinflussen. Anhand des Modellsystems P3HT:[60]PCBM, konnte gezeigt werden, dass die photoaktive Schichten bestehend aus einer ternären Mischung von Polymer, Fulleren und Stabilisator angewendet werden können, um die Lebensdauer von OPV wesentlich zu verlängern. Dieser Ansatz kann prinzipiell auf andere OPV Systeme übertragen werden, sofern das Additiv die geschilderten Anforderungen erfüllt. Durch Zugabe kleinster Mengen kostengünstiger Stabilisatoren kann, unabhängig von der intrinsischen photochemischen Stabilität der eingesetzten Materialien, eine signifikante Verbesserung der Lebensdauer und somit gesteigertem Wert des Gesamtsystems organische Solarzelle erreicht werden. Daher haben diese Erkenntnisse eine große Bedeutung für die Vermarktung von OPV.

Organic solar cells (OSC) have a high commercial potential, although certain issues still have to be resolved. Big efforts have already been invested into perfecting the constituent materials with regard to efficiency, and the current peak efficiency lies at 12 %, as reported by Heliatek on vacuum deposited oligomer tandem solar cells. However, the stability of devices remains their weak point. Due to their organic nature, OSC are extremely sensitive to light, heat, oxygen and humidity, all of which are commonly present in standard working conditions. In my thesis I examine photooxidative stabilization by introducing stabilizing compounds into the active layer. A variety of compounds with different stabilizing mechanisms, including radical scavengers, hydrogen donors, UV absorbers and hydroperoxide decomposers, were tested in the model active layer system consisting of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl):phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT:[60]PCBM). Such devices were aged in lifetime setup at 1 Sun illumination at moderate temperature in air. A tremendous increase in accumulated power generation, by over a factor of 3, was achieved with stabilizers of hydrogen donor and UV absorber classes, which was attributed, via spectroscopic and microscopic studies, to a reduction in formation of free radicals. These results underscore the potential of compounds known to successfully stabilize insulating plastic for stabilization of OSC. However, unlike in the case of insulating plastics, additional care has to be given that the energy levels of the additive are not overlapping with the effective band gap of the photoactive layer and that the resulting blend morphology does not disrupt the photoinduced charge transfer. Using P3HT:[60]PCBM as the model system, the proof of principle could be demonstrated that ternary blending OSC photoactive layers of with antioxidants and UV absorbers can be applied to substantially prolong the lifetime of devices. This approach could easily be extended to other polymer:fullerene systems, under the condition that its presence does not influence the morphology. These findings hold a great importance for the commercialization of OSC, as they offer a route to achieving highly reliable devices by adding small portions of cheap stabilizer compounds, regardless of the intrinsic photochemical stability of the polymer and the fullerene

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Turkovic, Vida: Long-Term Stabilization of Organic Solar Cells Using Additives. 2014.

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