Ortsaufgelöste Charakterisierung organischer Solarzellen mittels Lumineszenzstrahlung

Seeland, Marco GND

Durch detaillierte Untersuchung der physikalischen Prozesse, die der Wirkungsweise von Polymer-Solarzellen zu Grunde liegen, und der daran gekoppelten Entwicklung neuer Materialien konnte der Energiekonversionswirkungsgrad von organischen Solarzellen bereits deutlich gesteigert werden. Die für diese Technologie hohen Wirkungsgrade von > 10% lassen sich bisher jedoch nur im Labormaßstab mit Zellflächen weniger mm² realisieren. Durch die Skalierung auf größere Zellflächen treten material- und prozessbedingt lokale Defekte auf, die den Wirkungsgrad beträchtlich mindern können. Darüber hinaus treten aufgrund der notwendigen Verwendung mindestens einer transparenten Elektrode inhärente Leistungsverluste auf, die mit der Solarzelllänge skalieren. Schließlich stellt die beschränkte Lebensdauer aufgrund einer Vielzahl von vorwiegend lokal auftretenden Alterungseffekten einen für die kommerzielle Verbreitung limitierenden Faktor dar. Bezogen auf die Fläche der Solarzelle treten alle diese Effekte räumlich ungleichmäßig auf. Für deren Untersuchung werden daher experimentelle und theoretische Methoden benötigt, die die Solarzelle nicht einfach zusammengefasst, sondern in ihrer Gesamtheit als flächig verteiltes System charakterisieren und beschreiben können. In dieser Arbeit wurde die „Bildgebende Lumineszenzdetektion“ für die ortsaufgelöste elektrooptische Charakterisierung von Polymer-Solarzellen genutzt. Die Methode basiert auf der Detektion der vom organischen Halbleiter unter stationärer Anregung emittierten Elektrolumineszenzstrahlung mit einer hochempfindlichen CCD-Kamera. Der bisherige Einsatz dieser Messmethode an organischen Solarzellen war auf begleitende Untersuchungen im Rahmen von Alterungsexperimenten beschränkt. Unter Kenntnis des exakten Schichtaufbaus und durch den Vergleich mit anderen Charakterisierungsmethoden konnten dabei bereits durch rein qualitative Analysen wertvolle Informationen über Degradationsmechanismen und degradationsfördernde Schwachstellen gewonnen werden. Die vorliegende Arbeit geht über derartige qualitative Analysen hinaus. Die Zielstellung dieser Arbeit liegt in der quantitativen Interpretation von Elektrolumineszenzaufnahmen von Dünnschichtsolarzellen. Dazu wurden Modelle und Algorithmen entwickelt, die nicht nur das Verständnis der der Bildgebung zu Grunde liegenden Kontrastmechanismen fördern, sondern auch die Extraktion relevanter Materialparameter ermöglichen. Die entwickelten Methoden wurden exemplarisch an Polymer-Solarzellen auf Basis verschiedener Materialsysteme getestet, lassen sich jedoch prinzipiell auf andere Dünnschichttechnologien übertragen. Für die flächige Beschreibung von Dünnschichtsolarzellen wurde ein Modell entwickelt, welches eine umfassende elektrooptische Charakterisierung ermöglicht. Innerhalb dieses Modells wird die Solarzelle in miteinander gekoppelte Einheitszellen zerlegt, welche durch ein beliebiges Ersatzschaltbild modelliert werden können. Da die Modellierung im Rahmen dieser Arbeit anhand eines serienwiderstandslimitierten Eindioden-Ersatzschaltbildes erfolgte, wurde das Modell als „Mikrodioden-Modell“ bezeichnet. Die Anwendung des Mikrodioden-Modells auf Elektrolumineszenzaufnahmen verschiedener aktueller Materialsysteme zeigte, dass der zusammengefasste Serienwiderstand der Solarzellen effektiv in den Flächenwiderstand der transparenten leitfähigen Elektrode sowie in einen zusammengefassten Widerstand, der den Volumenwiderstand der Aktivschicht und die Kontaktwiderstände der im Schichtaufbau vorhandenen Grenzflächen repräsentiert, zerlegt werden kann. Die gleichzeitige Bestimmung des lokalen Potentials sowie der lokal fließenden Stromdichte ermöglichte die Extraktion der widerstandsbefreiten Kennlinien. Durch den Vergleich des optisch detektierten Rekombinationsstroms mit dem gesamtheitlich fließenden elektrischen Strom wurde zudem der Diodenidealitätsfaktor der verwendeten Materialsysteme ermittelt. Aufgrund der für die Nutzung des Mikrodioden-Modells nicht zwangsweise erfüllten Voraussetzung der flächigen Homogenität der Probe wurde eine ergänzende Beschreibung durch ein Modell lokal unabhängiger Dioden eingeführt. Dieses Modell wurde genutzt, um die Elektrolumineszenzemission flächig stark inhomogener Solarzellen zu untersuchen. Dabei wurde gezeigt, dass das Elektrolumineszenzsignal lokal in eine serienwiderstands- und eine materialspezifische Komponente zerlegt werden kann, die im Einklang mit dem Entmischungsverhalten der untersuchten Materialkombination steht. Anhand von Netzwerksimulationen auf Basis der extrahierten Materialparameter wurde schließlich gezeigt, dass das Verhältnis von Photostromdichte zu Flächenwiderstand eine Ortsabhängigkeit der Solarzellenfunktionalität induziert. Neben einer Geometrieoptimierung wurde daraus eine allgemeine Skalierungsrelation abgeleitet und die Ortsabhängigkeit durch rasternde Photostrommessungen experimentell bestätigt. Für die Untersuchung der Stabilität der elektrischen Kontakte von organischen Solarzellen innerhalb von Langzeitstudien wurde zudem das Verfahren zur Quantifizierung der nicht degradierten Fläche verbessert. Durch Implementierung eines lokal adaptiven Binarisierungsverfahrens konnte so auch die Bestimmung der effektiven Fläche von stark inhomogen bzw. schwach emittierenden Solarzellen erreicht werden.

The detailed investigation of physical processes relevant for the functioning of polymer solar cells along with the development of novel materials manifested the path to increasingly high energy conversion efficiencies. Nowadays, efficiencies > 10% can be realized, though only on the lab scale and with active areas of a few mm². Upscaling the active area immediately causes local defects that are induced by the materials and processes involved and have direct impact on the efficiency. Furthermore, meeting the requirement of at least one transparent electrode inherently causes power losses scaling with the solar cell length. In addition to such power losses a multitude of ageing effects still limits the lifetime of organic solar cells, which has a major impact on their commercialization. All of the aforementioned effects occur non-uniformly with respect to the solar cell area. Thus there is a need for experimental and theoretical methods allowing for enhanced characterization by distributed description of the whole solar cell at once. In this work the “Luminescence Imaging” was used for locally resolved electro-optical characterization of polymer solar cells. This method is based on the detection of electroluminescence radiation emitted by the organic semiconductor during stationary excitation. Previously, the application of Luminescence Imaging to organic solar cells was limited to complementary characterization in long term ageing experiments. Such qualitative analysis already allowed for meaningful results on degradation mechanisms and design flaws accelerating degradation pathways. However, it was mandatory to exactly know the layer composition and to compare to other characterization methods. The present work exceeds such qualitative analysis by quantitative interpretation of electroluminescence images of thin-film polymer solar cells. For promoting the understanding of the contrast mechanisms relevant for the luminescence pattern as well as for allowing to extract relevant material parameters, appropriate models along with suitable algorithms were developed. The developed methods were exemplarily applied to polymer solar cells based on different state-of-the-art material systems but can be in principle applied to other thin-film solar cells as well. Allowing for comprehensive electro-optical characterization a model based on distributed description of thin-film solar cells was developed. Within this model a solar cell is partitioned into unit cells with next-neighbor coupling. The unit cell can be modeled by an arbitrary equivalent circuit. In this work, a series resistance limited one-diode model was used, motivating to term the distributed model as “Microdiode-Model”. Application of the Microdiode-Model to electroluminescence images of different state-of-the-art material systems showed that the lumped series resistance of the whole solar cell can be effectively divided into the sheet resistance of the transparent electrode and a combined resistance representing the bulk resistivity of the active layer and the contact resistance to its adjacent layers. The simultaneous determination of the local electric potential along with the local net current-densities allowed for extraction of the current-voltage-characteristics free from series resistance limitations. Comparing the optically detected recombination current to the net electrical current furthermore allowed for determination of the diode ideality of the different material systems. For solar cells not meeting the requirement of planar homogeneity a complementary description by a model of locally independent diodes was introduced and applied to electroluminescence patterns of such solar cells. It is shown that the electroluminescence intensity can be locally decoupled into components specific for the series resistance as well as the materials involved, and that these parameters behave according to the large scale phase separation of the material combination investigated. By network simulations based on the parameters extracted it is finally shown that the relation of photocurrent-density and sheet resistance causes a local dependence in the solar cell functioning. In addition to simple geometry optimization a general scaling relation was derived and the local dependence was experimentally confirmed by light-beam induced photocurrent measurements. Furthermore, the method for quantifying the effective active area of organic solar cells during long term ageing studies was improved by implementing a locally adaptive binarization algorithm. Thus investigating the stability of the electric contacts of inhomogeneous or weak emitting solar cells was accomplished.

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Seeland, Marco: Ortsaufgelöste Charakterisierung organischer Solarzellen mittels Lumineszenzstrahlung. Ilmenau 2016.

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