Opto-electrical and magnetic resonance investigation of spin-dependent processes in polymer based organic photovoltaic devices

Datum: 19 september 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Groenenborger, U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen (route: UAntwerpen, Campus Groenenborger)

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Biniam Zerai Tedlla

Promotor: Etienne Goovaerts

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Biniam Zerai Tedlla - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Organische zonnecellen zijn veelbelovend als milieuvriendelijke energiebron. Om de nog beperkte vermogensefficiëntie en lange-termijnstabiliteit te kunnen verbeteren is een diepgaand begrip vereist van de fotofysica. Dit werk spitst zich toe op fotofysische processen die een negatieve impact kunnen hebben op de performantie van organische zonnecellen gebaseerd op de polymeer:fullereen bulk heterojunctie (BHJ). Hiertoe werden de spingevoelige EDMR en PLDMR (respectievelijk: magnetische resonantie gedetecteerd via elektrische geleidbaarheid en via fotoluminescentie) technieken toegepast.

In BHJ devices op basis van het polymeer super-yellow PPV (SY-PPV) gemengd met verschillende fullerenen, werden de energetische laaggelegen triplet-excitonen (TEs) in de fullereencomponent gedetecteerd, en de kanalen waarlangs ze worden gevormd onderzocht: (i) singlet excitonen (SEs) ondergaan intersystem crossing (ISC) naar TEs in het polymeer gevolgd door Dexter energietransfer –een relatief inefficiënt pad, (ii) polymeer SEs  ondergaan Förster energietransfer naar de fullerenen waar ISC volgt, en (iii) SEs vervallen via ladingstransfer(CT)toestanden aan de grenslaag naar fullereen-TEs – dit laatste enkel in een combinatie met relatief hooggelegen CTs.

Gebruik van een zg. sensitizer – hier een metaalhoudende molecule PdTPBP - voor energie-opconversie op basis van triplet-triplet annihilatie (sUC-TTA) is een veelbelovende benadering om lage-energie fotonen uit het zonnespectrum te collecteren. sUC-TTA vertoont significante opconversie in de vloeibare fase, doch dit kon niet bekomen worden in de vaste fase. In mengfilms van SY-PPV met PdTPBP konden we de vermindering in opgeconverteerde fotonen bij hogere sensitizerfracties correleren met de TE-populatie in het polymeer. Triplet-triplet annihilatie (TTA) in de sensitizerfractie werd voorheen voorgesteld als parasitair proces. Onze studie toont echter aan dat TE-polaron annihilatie een belangrijkere rol speelt, met polaronen die uit polymeercomponent afkomstig zijn. We bevelen een aanpassing aan van de HOMO-HOMO uitlijning om een energiebarrière te bekomen deze migratie van polaronen te vermijden.

In hoog-efficiënte organische zonnecellen worden de device structuren complexer en gebruikt men actieve lagen met verscheidene materialen. Methoden die selectief excitaties  kunnen identificeren zijn welkom om de conventionele technieken aan te vullen. In deze thesis konden we de onschatbare bijdrage illustreren die EDMR en PLDMR spectroscopieën bieden bij het ontrafelen van complexe processen in organische zonnecellen.



Url: http://www.uantwerpen.be/wetenschappen