Substituierte Perylendiimide als Elektronen-Akzeptoren in organischen Solarzellen

Abstract

In dieser Arbeit wird mithilfe verschiedener spektroskopischer Experimente, morphologischer Untersuchungen und elektrischer Charakterisierung die Eignung von Perylendiimiden als Akzeptoren in organischen Solarzellen untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es die photophysikalischen Eigenschaften von Perylendiimid-Derivaten zu verstehen und durch geeignete Substitution zu verbessern. Das Verständnis soll helfen, neue Akzeptormaterialien für organische Solarzellen mit Hilfe eines zielgerichteten Designs zu entwickeln. Um Struktur-Morphologie-Eigenschafts-Beziehungen herzustellen, wurden zunächst kovalent verbundene Dyaden untersucht, die es ermöglichen, die photophysikalischen Prozesse bei gegebener Donator-Akzeptor Ordnung mit der Nanomorphologie zu korrelieren. Anschließend wurden die photophysikalischen Eigenschaften neuer ortho-substituierter Perylendiimid-Derivate und die Auswirkungen dieser Substitution im Festkörper charakterisiert. Diese neuartigen Perylendiimid-Derivate zeigten in Kombination mit einem Donatorpolymer in organischen Solarzellen eine Verdopplung der Effizienz gegenüber bereits bekannten Perylendiimiden. Die verbleibenden Verlustkanäle konnten weiterhin durch Untersuchung der in der Solarzelle stattfindenden Prozesse einzeln nachgewiesen werden, und es wurde ein indirekter Beweis erbracht, dass die Erzeugung freier Ladungsträger ein effizienzlimitierender Prozess in Perylendiimid-basierten Solarzellen ist.

In this work the suitability of perylene diimides for usage in organic solar cells is investigated by spectroscopic experiments, morphological study and electrical characterisation. The goal is to understand the photophysical properties of perylene diimide derivatives and to enhance these by suitable side chain substitutions. This understanding leads to a new, purposeful design of perylene diimide derivatives. To link structure, morphology, and photophysical properties covalently linked dyads are investigated in the beginning. This enables the possibility to correlate the photophysical properties with a known nanomorphology. Subsequently, the photophysical properties of new ortho substituted perylene diimide derivatives are characterized and the effect of substitution on the solid state structure is described. These new perylene diimides in combination with a donor polymer show a doubling of the efficiency compared to commonly used perylene diimides. The loss channels in the organic solar cell are analysed by an investigation of the cascade of processes potentially impacting the quantum efficiency of the device. Indirect proof is found that the limited creation of free charge carriers is the main efficiency limiting process in perylene diimide based organic solar cells.