Double resonant character in an optical cavity for high performance and stable polymer solar cells
Creators: name: Liu, Quan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Polymer solar cells
optical cavity
operational stability
PTB7-Th
PC71BM

description: Lösungsverarbeitete Dünnschichtsolarzellen erweisen sich als vielversprechende photovoltaische Technologien, die sich für ein kostengünstiges und skalierbares Rolle-zu-Rolle-Produktionsverfahren eignen. Ein solcher Dünnschichtcharakter sorgt auch für Flexibilität und ein geringes Gewicht der Solarzellenmodule, wodurch sie sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, bei denen keine Silizium-Solarmodule verwendet werden können. Zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen, die in allen lösungsverarbeiteten Dünnschichttechnologien üblich sind, weisen Polymersolarzellen (PSCs) eine einzigartige Semitransparenz auf. Diese macht sie sehr nützlich für Solarfensteranwendungen und wettbewerbsfähig beim Aufbau integrierter Photovoltaik. In den letzten Jahren wurden bemerkenswerte Fortschritte auf dem Gebiet der PSC erzielt. Die Leistungsumwandlungseffizienz von PSCs hat die 11% -Schwelle bereits überschritten. Um jedoch mit anderen lösungsverarbeiteten Dünnschichttechnologien konkurrieren zu können, muss die Geräteeffizienz weiter verbessert werden. Angesichts der geringen Ladungsträgermobilität in herkömmlich verwendeten organischen π-konjugierten Halbleitern begrenzt der Kompromiss zwischen optischer Absorption und Ladungsträgersammlung die photoaktive Schichtdicke auf derzeit ungefähr 100 nm. Um die begrenzte Lichtabsorption in solch dünnen photoaktiven Schichten zu überwinden, ist ein entsprechendes optisches Management sehr wichtig. Idealerweise sollte eine Verstärkung der Lichtabsorption oder des Kurzschlussstroms erreicht werden, ohne die anderen photovoltaischen Geräteparameter wie die Leerlaufspannung und den Füllfaktor zu beeinflussen.

In dieser Arbeit implementieren wir eine neue eindimensionale planare optische Kavität, die einen resonanten Charakter bei zwei verschiedenen nichtharmonischen Frequenzen aufweist, was wir Two-Resonance Tapping Cavity (TRTC) nennen. Mit einer solchen TRTC demonstrieren wir, dass man in Dünnschichtzellen einen optimalen breitbandigen Lichteinfang erreichen kann, wobei der Photostrom der Solarzelle weitgehend verbessert wird, ohne die elektrischen Eigenschaften des Geräts zu opfern.

Eine begrenzte Stabilität ist ein weiteres Hindernis, das eine industrielle Anwendung der PSC-Technologie verhindern könnte. In Übereinstimmung mit einer Erhöhung der Geräteeffizienz, muss das Problem einer kurzen Betriebslebensdauer des Geräts angegangen werden. In der vorliegenden Arbeit führen wir mehrere Experimente durch, die uns die Physik und die Nanomorphologie hinter der schnellen Zerstörung der aktiven Schicht unter Beleuchtung verstehen lassen. Um eine solche Zerstörung zu umgehen schlagen wir darüber hinaus ein neues Verfahren vor, das auf der Bildung einer hochgradig geordneten PCBM-Phase basiert und Hochleistungs-PSCs mit langer Lebensdauer erreichbar macht.

Die vorliegende Arbeit ist in fünf Kapitel unterteilt. Kapitel 1 gibt einen kurzen Überblick über einige Ansätze zur Photonenkontrolle und Grundlagen von Zersetzungsmechanismen in PSCs. Kapitel 2 beschreibt das TRTC-Konzept und die experimentelle Implementierung von PTB7-Th:PC71BM-Zellen, die in einer solchen TRTC integriert sind. In Kapitel 3 beschreiben wir die Verwendung des in Kapitel 2 vorgestellten TRTC-Konzepts, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Leerlaufspannung und Photostrom in flexiblen PBDBT:ITIC-Zellen zu erreichen. In Kapitel 4 zeigen wir einen Ansatz zur Erhöhung der Betriebslebensdauer von PSCs auf Basis einer UV-Behandlung zur aktiven Entfernung chemisorbierten Sauerstoffs in der ZnO-Zwischenlage. Schließlich wird in Kapitel 5 der schnelle Burn-In-Verlust für PTB7-Th:PC71BM-Zellen eingehend untersucht und eine neue Erklärung für diesen Abbauweg vorgeschlagen. Darüber hinaus schlagen wir einen Ansatz vor, um diesen Verlust zu umgehen und langlebige Solarzellen mit hoher Effizienz zu erreichen.