Authors:	Mauer, Ralf
Title:	Charge generation, transport and recombination in organic solar cells
Online publication date:	23-May-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	This thesis presents a study of the charge generation, transport, and recombination processes in organic solar cells performed with time-resolved experimental techniques. Organic solar cells based on polymers can be solution-processed on large areas and thus promise to become an inexpensive source of renewable energy. Despite significant improvements of the power conversion efficiency over the last decade, the fundamental working principles of organic solar cells are still not fully understood. It is the aim of this thesis to clarify the role of different performance limiting processes in organic solar cells and to correlate them with the molecular structure of the studied materials, i.e. poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). By combining time-of-flight charge transport measurements, transient absorption spectroscopy, a newly developed experimental technique called time delayed double pulse experiment and drift-diffusion simulations a comprehensive analysis of the working principles of P3HT:PCBM solar cells could be performed. It was found that the molecular structure of P3HT (i.e. the regioregularity) has a pronounced influence on the morphology of thin films of pristine P3HT and of blends of P3HT with PCBM. This morphology in turn affected the charge transport properties as well as the charge generation and recombination kinetics. Well-ordered regioregular P3HT was found to be characterized by a high charge carrier mobility, efficient charge generation and low but field-dependent (non-geminate) recombination. Importantly, the charge generation yield was found to be independent of temperature and applied electric field as opposed to the expectations of the Onsager-Braun model that is commonly applied to describe the temperature and field dependence of charge generation in organic solar cells. These properties resulted in a reasonably good power conversion efficiency. In contrast to this, amorphous regiorandom P3HT was found to show poor charge generation, transport and recombination properties that combine to a much lower power conversion efficiency. Diese Dissertation beinhaltet ein mittels zeitaufgelöster experimenteller Methoden angefertigte Studie der Ladungserzeugungs-, Transport- und Rekombinationsprozesse in organischen Solarzellen. Organische Solarzellen können auf großen Flächen aus Lösungen prozessiert werden und gelten deshalb als vielversprechende kostengünstige Quelle erneuerbarer Energie. Trotz einer deutlichen Verbesserung der Effizienz organischer Solarzellen in den vergangenen zehn Jahren ist die fundamentale Funktionsweise organischer Solarzellen noch immer nicht vollständig verstanden. Ziel dieser Dissertation ist es, zur Aufklärung der Rolle der verschiedenen wirkungsgradbegrenzenden Mechanismen in organischen Solarzellen beizutragen. Ferner wird die Korrelation dieser Mechanismen mit der molekularen Struktur der untersuchten Materialien (P3HT und PCBM) erörtert. Durch die Kombination von Time-of-Flight Ladungstransportmessungen, transienter Absorptionsspektroskopie, einer neu entwickelten Methode namens zeitverzögertes Doppelpuls Experiment sowie Drift-Diffusions-Simulationen wurde eine umfassende Analyse der Funktionsweise organischer Solarzellen durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass die molekulare Struktur von P3HT, das heißt dessen Regioregularität, einen starken Einfluss auf die Morphologie dünner Schichten aus P3HT und PCBM hat. Diese Morphologie wiederrum beeinflusste sowohl den Ladungstransport als auch die Ladungsgeneration und -rekombination. Das geordnete regioregulare (RR) P3HT zeichnete sich durch eine hohe Ladungsträgermobilität, effiziente Ladungserzeugung und niedrige nicht geminale Rekombination aus. Besonders bemerkenswert war die Beobachtung, dass die Ladungserzeugung weder von Temperatur noch elektrischem Feld abhing. Dies steht im Widerspruch zu dem üblicherweise verwendeten Onsager-Braun-Modell für Ladungserzeugung. Die Kombination dieser Eigenschaften erklärte die relativ gute Effizienz der RR-P3HT:PCBM-Solarzellen. Das amorphe, regioirregulare P3HT hingegen zeigte schlechte Ladungserzeugungs-, Transport- und Rekombinationseigenschaften, die in Summe eine sehr schlechte Effizienz der Solarzellen bedingten.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2031
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-31262
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	160 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen