Crystallization and degradation studies in organic and perovskite solar materials
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
Abstract
Organische Solarzellen gelten als vielversprechende Alternativen zu den herkömmlichen Silizium-Solarzellen, hauptsächlich da sie durch lösungbasierte Dünnschichttechnologie hergestellt werden. Diese Technologie ermöglicht eine kostengünstige und großflächige Produktion von flexiblen organischen Solarzellen durch das Rolle-zu-Rolle-Verfahren. In umfangreichen wissenschaftlichen Studien werden neue organische Materialien zur Lichtabsorption synthetisiert und neue Herstellungsverfahren untersucht, die die Leistung der Solarzellen weiter verbessern. Um die organischen Solarzellen effizient zu nutzen, ist wichtig, die Stabilität und Abbaumechanismus der organischen Materialien zu verstehen.
Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf den photooxidativen Abbau von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM). PCBM wird in vielen bulk heterojunction Solarzellen als Elektronenakzeptor genutzt. Darüber hinaus ist PCBM ideal um in Perowskit- Photovoltaik hysteretische Effekte an den Grenzflächen zu minimieren. Die kurze Lebensdauer und geringe Stabilität von PCBM haltigen Solarzellen stellt jedoch ein Hindernis für deren Vermarktung dar. Die Messungen in meiner Arbeit zeigen, dass die Photooxidation in Gegenwart von Sauerstoff eine wichtige Rolle beim Abbau von PCBM spielt, der zu einem Ausfall der Geräte führen.
Seit 2009 zählen auch Perowskit Solarzellen zu den vielversprechenden lösungsbasierten Technologien. Vor kurzem überschritten Methylammoniumbleihalogenid (CH3NH3PbX3) basierte Perowskit Solarzellen eine Leistungsumwandlungseffizienz von 20%. Zur gleichen Zeit, ziehen Kristallisation und Stabilitätsprobleme immer mehr Aufmerksamkeit auf sich. Insbesondere Wassermoleküle (hohe feuchte Umgebung) spielen in der Zersetzung von Perowskit- Filme eine wichtige Rolle. Der Abbaumechanismus von CH3NH3PbX3 in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit wird weiterhin untersucht.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit den Kristallisations- und Abbauprozessen von CH3NH3PbI3 Filmen. Hier beobachtete ich das Filmwachstum und den Kristallisationsprozess von Perowskit unter Einsatzumgebung mit in-situ Rasterkraftmikroskopie. Darüber hinaus untersuchte ich die Morphologie-Entwicklung von Perowskit-Filmen in feuchter Umgebung durch in-situ Rasterkraftmikroskopie und in-situ-Röntgendiffraktometrie, um den lokalen Morphologie-, sowie den Kristallstruktur-Änderungen im Detail folgen zu können. Basierend auf diesen Messungen konnte ich feststellen, dass die durch Feuchtigkeit induzierten Morphologie-Änderungen nicht umkehrbar sind, da die in Feuchtigkeit entstandenen Korngrenzen in trockener Atmosphäre nicht verschwanden. Die zusätzlichen Korngrenzen könnten der Grund für die Verstärkung der JV-Hysterese sein, die Leguy et al in ihrer Studie festgestellt hatten (Chem. Mater. 2015, 27, 3397-3407). Diese Interpretation ist konsistent mit dem Befund, daß eine Abnahme der Kristallgröße zu einer zunehmende Hysterese führt. Zusätzlich könnte ich durch meine Ergebnisse das Abbau-Modell von Leguy und Mitarbeitern verfeinern (Chem. Mater. 2015, 27, 3397-3407).
Alle oben genannten Studien geben uns ein besseres Verständnis für die Abbauprozesse von organischen und Perowskit-Materialien in schädlichen Umgebungen. Eine zusätzliche Einkapselung oder Passivierungsschicht auf organischer und Perowskit- Materialien ist daher nötig, um die aktiven Schichten vor einer schädlichen Atmosphäre zu schützen, was für die Gerätestabilität und elektrischen Parameter sehr vorteilhaft ist.