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Autoren: Schrader, Manuel
Titel: Charge transport in organic photovoltaic cells
Online-Publikationsdatum: 23-Dez-2013
Sprache des Dokuments: Englisch
Zusammenfassung/Abstract: Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter Ï -Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.
This thesis serves to deepen the understanding of charge transport in organic photovoltaic cells. Using computer simulations, the dynamics of charge carriers in organic materials is reconstructed, starting from the quantum mechanical processes on the microscopic level up to the macroscopic scale, where charge carrier mobilities can be quantified. Based on this multiscale approach, relationships between the chemical structure of organic molecules and the macroscopic mobility are established (structure-property relationships), which assist the improvement of photovoltaic efficiencies. The simulation model includes the following three key components. First, a morphology, i.e. an atomistically resolved model of the molecular arrangement within the material of interest. Second, a hopping model of charge transport, describing charge migration as a succession of charge transfer reactions between individual molecules. Third, a nonadiabatic model of charge transfer, expressing transition rates by three parameters: reorganization energies, site energies, and transfer integrals. The charge transport simulations focus on the material class of dicyanovinyl-substituted oligothiophenes and cover morphologies of single crystals, thin films, and amorphous/smectic mesophases. A general result is that the molecular architecture, consisting of an acceptor-donor-acceptor sequence and a flexible oligomer backbone, gives rise to substantial variations of molecular dipole moments and hence of the site energies. This energetic disorder is unusually high in the crystals and even higher in the mesophases. For the single crystals, it is observed that crystal structures with a pronounced Ï -stacking and correspondingly large transfer integrals lead to relatively low mobilities. This counterintuitive behavior is traced back to the formation of preferred transport directions which are prone to energetic defects. For the thin films, this reasoning can be confirmed and provides a microscopic understanding for experimental mobilities. In fact, the simulation results correlate with both measured mobilities and photovoltaic efficiencies. For the amorphous/smectic systems, the energetic disorder increases with the oligomer length, but also leads to an unexpected mobility reduction in the more ordered smectic state. The reason for this is elucidated by showing that the smectic layering conflicts with the spatial correlations of the energetic disorder.
DDC-Sachgruppe: 530 Physik
530 Physics
Veröffentlichende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit: MaxPlanck GraduateCenter
Veröffentlichungsort: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3661
URN: urn:nbn:de:hebis:77-36195
Version: Original work
Publikationstyp: Dissertation
Nutzungsrechte: Urheberrechtsschutz
Informationen zu den Nutzungsrechten: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang: 175 S.
Enthalten in den Sammlungen:JGU-Publikationen

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