Studie met optische spectroscopie van ladingstransfer en -recombinatie in mengsels van MDMO-PPV met nieuwe 'kleine-molecule' acceptoren

Datum: 15 september 2014

Locatie: UAntwerpen - Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q0.02 - Universiteitsplein 1 - 2610 Wilrijk

Tijdstip: 10 uur

Organisatie / co-organisatie: Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica

Promovendus: Nissy Nevil

Promotor: Prof. dr. Etienne Goovaerts

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Nissy Nevil - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Organische zonnecellen (OZCn) bieden unieke perspectieven voor lage-kost alternatieven voor de beheersing van zonne-energie. Processing van deze zonnecellen op flexiebele substraten en op grote schaal worden als specifieke voordelen voor fabricage vooropgesteld. Het gebruik van state-of-the-art druktechnieken kan de produktie van OZCn vereenvoudigen en belooft ook beduidend lagere fabricagekosten vergeleken met inorganische photovoltaïsche (PV) technologie. Zij kunnen gemakkelijk geïntegreerd worden in produkten zoals draagbare PV en andere niche-toepassingen die opportuniteiten bieden voor commerciële markten. Al deze factoren suggereren dat organische photovoltaïsche (OPV) technologie het potentieel heeft om te dienen als economisch leefbare alternatieve bron van elektrische energie. De snelle toename in het laatste decennium van de vermogensefficiënties van OZCn heeft het onderzoek in dit gebied verder aangestuurd. In deze thesis breng ik verslag uit over twee bijdragen aan het OPV onderzoek: (i) een methodologische ontwikkeling met als doel een verbeterd inzicht te bekomen in de vormings- en recombinatieprocessen van ladingsdragers in derde-generatie zonnecellen, en (ii) een studie van een familie van alternatieve acceptormoleculen voor ‘bulk heterojunctie’ (BHJ) organische zonnecellen.

De bereiding van preparaten en de experimentele technieken worden toegelicht die ik in dit werk heb toegepast. Dunne-film preparaten werden in stikstofatmosfeer aangemaakt. Operationele zonnecellen met een actieve laag bereid door‘spin-coating’ werden beschikbaar gesteld door samenwerkende laboratoria. Diverse optische technieken werden toegepast: UV-vis absorptie, golflengte- en tijdsgeresolveerde fluorescentie, en fotogeïnduceerde absorptie (PIA).

Hoofdstuk 3 beschrijft de stappen in de ontwikkeling van de PIA-opstelling die ik realiseerde uitgaande van een bestaand laser-flashfotolyse instrument. De PIA metingen laten ons toe om de polaronen, i.e. de ladingsdragers, in materialen voor BHJ zonnecellen te detecteren. De geometrie voor detectie werd aangepast om metingen aan dunne films in transmissie en aan zonnecellen in reflectie, mogelijk te maken. Als belangrijke bijkomende aanpassing werd blokgolf-gemoduleerde excitatie met een continue laserbron toegevoegd hetgeen zowel spectraal- als tijdsgeresolveerde PIA-metingen toelaat bij gematigde belichtingsniveau’s, vergelijkbaar in vermogen met belichting door de zon.

In Hoofstuk 4 worden halfgeleidende moleculen uit een reeks van drie dithienylthiazolo[5,4-d]thiazool- (DTTzTz-) verbindingen met toenemend acceptor­karakter gecombineerd met het standaard donor polymeer MDMO-PPV, om de efficiëntie te onderzoeken van de ladingsoverdracht in de resulterende mengsels voor OPV-toepassingen. Uitdoving van de fluorescentie tesamen met detectie van polaronen m.b.v. PIA werden toegepast voor de karakterisering van de ladingsoverdracht. Deze spectroscopische studies toonden toenemende efficiëntie aan van de ladingsoverdracht bij toenemend acceptorkarakter van de DTTzTz verbinding. Hoge waarden werden bekomen voor de spanning over het open circuit van zonnecellen gebaseerd op MDMO-PPV:4-CN-Ph-DTTzTz mengsels in overeenstemming met de verwachtingen voor zulk een donor:acceptor combinatie. Op basis van de tijdsafhankelijke PIA-metingen kon ik aantonen dat thermische activering optreedt van de recombinatieprocessen van de ladingsdragers, en dit kan in verband gebracht worden met de lage drijvende energiestap voor ladingsoverdracht. De thermisch geactiveerde recombinatie samen met een lage mobiliteit van de ladingsdragers worden gesuggereerd als oorzaken voor de lage opgeleverde kortsluitingsstroom en de daaruitvolgende zwakke photovoltaïsche performantie.

In Hoofdstuk 5 wordt de CW PIA methodologie verder besproken, waarbij de volledige tijdsafhankelijkheid beschouwd wordt om op een meer directe wijze de kinetiek van ladingsproduktie en -recombinatie te onderzoeken. De specifieke aanpak voor PIA-metingen met aan/uit modulatie van de laserexcitatie wordt behandeld, alsook het resultaat voor de opbouw en het verval van het PIA-signaal dat rechtstreeks met de concentraties aan ladingsdrager verbonden is. De analyse van de tijdsafhankelijke CW PIA gegevens wordt besproken in het kader van twee recombinatiemodellen die respectievelijk met monomoleculaire en bimoleculaire reactievergelijkingen kunnen verbonden worden. Deze aanpak wordt gevolgd voor metingen aan filmpreparaten van donor:acceptor mengsels, waarbij de nieuwe acceptor met een conventionele fullereen acceptor wordt vergeleken. Kwalitatieve evaluatie en best fitting van de curves binnen de eenvoudige mono- en bimoleculaire modellen leveren aanwijzingen over de aard van de recombinatieprocessen, maar tonen ook de complexiteit van de bestudeerde systemen aan waarvoor uitbreiding van de modellen nodig zal blijken.