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Authors: Freisinger, Birger
Title: Investigation of P3HT PCBM particle-based solar cells
Other Title: Investigation of P3HT/PCBM particle-based solar cells
Online publication date: 20-Jun-2013
Language: english
Abstract: Die Herstellung von Polymer-Solarzellen aus wässriger Phase stellt eine attraktive Alternative zu der konventionellen lösemittelbasierten Formulierung dar. Die Vorteile der aus wässriger Lösung hergestellten Solarzellen liegen besonders in dem umweltschonenden Herstellungsprozess und in der Möglichkeit, druckbare optoelektronische Bauteile zu generieren. Die Prozessierbarkeit von hydrophoben Halbleitern im wässrigen Milieu wird durch die Dispergierung der Materialien, in Form von Nanopartikeln, erreicht. Der Transfer der Halbleiter in eine Dispersion erfolgt über die Lösemittelverdampfungsmethode. Die Idee der Verwendung von partikelbasierte Solarzellen wurde bereits umgesetzt, allerdings blieben eine genaue Charakterisierung der Partikel sowie ein umfassendes Verständnis des gesamten Fabrikationsvorgangs aus. Deshalb besteht das Ziel dieser Arbeit darin, einen detaillierten Einblick in den Herstellungsprozess von partikelbasierten Solarzellen zu erlangen, mögliche Schwächen aufzudecken, diese zu beseitigen, um so zukünftige Anwendungen zu verbessern. Zur Herstellung von Solarzellen aus wässrigen Dispersionen wurde Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl)/[6,6]-Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester (P3HT/PCBM) als Donor/Akzeptor-System verwendet. Die Kernpunkte der Untersuchungen richteten sich zum einen die auf Partikelmorphologie und zum anderen auf die Generierung einer geeigneten Partikelschicht. Beide Parameter haben Auswirkungen auf die Solarzelleneffizienz. Die Morphologie wurde sowohl spektroskopisch über Photolumineszenz-Messungen, als auch visuell mittels Elektronenmikroskopie ermittelt. Auf diese Weise konnte die Partikelmorphologie vollständig aufgeklärt werden, wobei Parallelen zu der Struktur von lösemittelbasierten Solarzellen gefunden wurden. Zudem wurde eine Abhängigkeit der Morphologie von der Präparationstemperatur beobachtet, was eine einfache Steuerung der Partikelstruktur ermöglicht. Im Zuge der Partikelschichtausbildung wurden direkte sowie grenzflächenvermittelnde Beschichtungsmethoden herangezogen. Von diesen Techniken hatte sich aber nur die Rotationsbeschichtung als brauchbare Methode erwiesen, Partikel aus der Dispersion in einen homogenen Film zu überführen. Des Weiteren stand die Aufarbeitung der Partikelschicht durch Ethanol-Waschung und thermische Behandlung im Fokus dieser Arbeit. Beide Maßnahmen wirkten sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus und trugen entscheidend zu einer Verbesserung der Zellen bei. Insgesamt liefern die gewonnen Erkenntnisse einen detaillierten Überblick über die Herausforderungen, welche bei dem Einsatz von wasserbasierten Dispersionen auftreten. Die Anforderungen partikelbasierter Solarzellen konnten offengelegt werden, dadurch gelang die Herstellung einer Solarzelle mit einer Effizienz von 0.53%. Dieses Ergebnis stellt jedoch noch nicht das Optimum dar und lässt noch Möglichkeiten für Verbesserungen offen.
Aqueous processing of polymer solar cells presents an attractive alternative to the conventional solvent based fabrication of photovoltaics. The benefits of these cells are particularly the environmentally friendly fabrication process and the realization of printable devices. The processability of hydrophobic semiconductors in the aqueous phase is achieved by dispersing the materials as nanoparticles. The emulsification solvent evaporation method is used to transfer the semiconductors into an aqueous dispersion. The concept of particle-based organic solar cells has been already implemented, however, a detailed characterization of the particles and a fundamental understanding of the entire fabrication process is absent. For that reason, the aim of this thesis is to gain a detailed insight into the preparation process of particle-based solar cells in order to reveal and eradicate potential problems, improving future applications. The donor/acceptor system poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)/[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT/PCBM) is used for this approach. This study focuses on an investigation of particle morphology and the formation of suitable particle layers. Both parameters have a great impact on the device efficiency. The morphology was characterized and investigated both spectroscopically, via photoluminescence measurements, and visually, by electron microscopy. In this manner, the particle morphology was fully clarified and parallels to the structure of solution-processed photovoltaics could be found. Further, the influence of preparation temperature on the morphology was observed, allowing an easy control of the particle structure. In the course of particle layer formation, direct assembly and liquid interface-mediated processes were applied. However, only the spin coating technique has to prove practical for converting particles from a dispersion into a suitable homogeneous film. Moreover, reprocessing of the particle layer by ethanol washing and thermal treatment was also an important aspect of this work. These steps had a positive effect on the efficiency of the devices, contributing decisively to the improvement of particle-based solar cells. The obtained cognitions provided a detailed overview of the challenges arising in the use of aqueous dispersions instead of traditional solvent processing. The requirements of particle-based solar cells could therefore be revealed, in the process allowing successful fabrication of solar cells with an efficiency of 0.53%. However, this result is not the optimum, and room for improvements is still present.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2727
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 168 S.
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