Untersuchung von schnellen Annealingverfahren und deren Auswirkungen auf die Bulk Heterojunction in organischen Sollarzellen

Seit der Erfindung der ersten organischen Solarzellen 1986 durch Tang et al.1
wurde auf dem Gebiet der organischen Photovoltaik (OPV) intensive Forschung
betrieben. Von anorganischen Solarzellen unterscheidet sich die OPV durch
sehr dünne und semitransparente Schichten und der Möglichkeit der einfachen
Herstellung massenproduktionstauglicher Druckverfahren.

Die Leistung der Solarzelle wird beeinflusst durch äußere Faktoren, wie Kontakt- und
Transportschichten, die Schichtdicken und das verwendete Materialsystem.
Werden diese konstant gehalten, hängt die Effizienz von den morphologischen
Aspekten eines interpenetrierenden Netzwerks (Bulk Heterojunction) aus den
Donor- und Akzeptormolekülen des verwendeten Materialsystems ab. Die Leistung
kann in P3HT:PCBM-Solarzellen (Poly(3-hexylthiophen):Phenyl-C61-Butylsäure
Methylester) durch Nachbehandlungsprozesse (s.g. Annealing) deutlich gesteigert
werden.

In dieser Arbeit wurden mit den Domänengrößen, der Ladungsträgermobilität,
der Bildung von Transportpfaden und vertikalen Konzentrationsgradienten vier
Bedingungen für die Morphologie von effizienten Solarzellen definiert. Anhand
dieser vier Bedingungen wurden verschiedene Annealingverfahren und deren
Auswirkungen auf die Morphologie von P3HT:PCBM-Solarzellen untersucht. Die
Schwerpunkte in dieser Arbeit liegen erstens in der Erforschung der Morphologie
der Solarzellen und zweitens in der Untersuchung schneller Annealingverfahren. Verglichen werden elektrische Bauteilmessungen mit morphologischen Untersuchungen. Durch die Verwendung der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) können P3HT-reiche und PCBM-reiche Domänen in einer Nanometerauflösung getrennt voneinander dargestellt werden.

Zu Beginn werden die Effekte des thermischen Annealings auf P3HT:PCBM-Solarzellen untersucht. Es konnte ein schneller Anstieg der Effizienz gezeigt werden.
Dieser wird auf einen verbesserten Ladungstransport durch Netzwerkbildung
und Teilkristallisierung von P3HT zurückgeführt. Anhand der Untersuchung des
vertikalen Konzentrationsverlaufs konnte keine bevorzugte Stromrichtung in der
Morphologie gefunden werden.

Zur Untersuchung von schnellen Annealingprozessen wurden Solarzellen mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenspektralbereich bei 2,45 GHz bestrahlt. Dabei konnte eine Absorption der Strahlung in Abhängigkeit vom Oberflächenwiderstand gezeigt werden. Durch die Erwärmung der ITO-(Indiumzinnoxid) Anode ließen sich die P3HT:PCBM-Schichten durch steile Temperaturrampen in nur wenigen Sekunden effizient herstellen. Morphologieuntersuchungen bestätigten eine sehr schnelle Strukturbildung in der P3HT:PCBM-Schicht.

Abschließend konnten durch die Verwendung von Nitrobenzol als Lösemitteladditiv
Solarzellen auch ohne Annealingschritt effizient gebaut werden. Abhängig
von der Nitrobenzolkonzentration findet während des Lösemittelverdampfens bei
der Beschichtung eine Kristallbildung von P3HT statt. Gezeigt werden konnte
die Ausbildung eines P3HT:PCBM-Netzwerks während der Beschichtung. Dieses
Netzwerk verursacht einen vertikalen Konzentrationsgradienten und ermöglicht den
Bau von sehr temperaturstabilen Solarzellen.

1C. W. Tang. Two-layer organic photovoltaic cell. Appl. Phys. Lett., 48(2):183-185, 1986.