Invertierte fulleren-freie organische Solarzellen: Ladungsträgerextraktion und Grenzflächenanalyse
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsprojekts war es ein grundlegendes Verständnis der Ladungsextraktion in invertierten organischen Solarzellen (engl. organic solar cells, OSCs) mittels Oxid-Zwischenschichten zu erlangen. Zu diesem Zweck haben wir in enger Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen der Bergischen Universität Wuppertal und der TU Darmstadt die Untersuchung der optoelektronischen Bauteil-Eigenschaften und Analyse der relevanten organischen/Oxid-Grenzflächen mittels Photoelektronen-Spektroskopie (PES) kombiniert. Unser Projekt konzentrierte sich hauptsächlich auf die Elektronenextraktion an der Kathodenseite (Unterseite) der invertierten OSCs. Während zu Beginn dieses Projekts für OSCs fast ausschließlich Fullerene als Akzeptor-Material verwendet wurden, haben wir in der letzten Phase unseres Projekts auch Nicht-Fullerene als Akzeptor-Materialien untersucht. Wir betrachteten zunächst das für OSCs bekannte “Light Soaking“ Phänomen, welches bei OSCs mit Metalloxid-Elektronenextraktionsschichten (engl. electron extraction layer, EEL) wie TiOx oder ZnO auftritt. Hier konnten wir eine Barriere an der ITO/TiOx Grenzfläche sowie eine potenziell geringe Leitfähigkeit von TiOx als Ursprung der s-förmigen J/V-Kurve bei Beleuchtung ohne UV- Anteil ausschließen. Durch eine Korrelation von Bauteil-Eigenschaften und PES konnten wir vielmehr eine Extraktionsbarriere zwischen dem Metalloxid und dem Fulleren identifizieren. Mit PES konnten wir zeigen, dass beim UV-“Light Soaking“ die Barriere zwischen TiOx und dem organischen Akzeptor reduziert wird und sich dadurch die Elektronenextraktion verbessert. Wir konnten zudem zeigen, dass im Vergleich zu TiOx für das elektrisch dotierte Al:ZnO kein UV-“Light-Soaking“ erforderlich ist. Als Alternative zur elektrischen Dotierung konnten wir die plasmonische Sensibilisierung von Metalloxiden durch die Verwendung von Metall-Nanopartikeln als Methode identifiziert die notwendige Aktivierung mittels schädigendem UV-Licht zu umgehen. Ein plasmonischer Ladungstransfer von den Metallnanopartikeln zum Metalloxid findet bereits bei Beleuchtung mit hν< Eg statt. Als Folge konnte eine erleichterte Elektronenextraktion nachgewiesen werden. Es ist uns somit gelungen, das Funktionsprinzip plasmonisch sensibilisierter EELs aufzuklären. Als weiteres vielversprechendes EEL haben wir reines Zinnoxid (SnOx) identifiziert, welches ebenfalls keine Aktivierung durch UV-Licht benötigt. Gleichzeitig wurden wesentliche Verbesserungen der Stabilität durch die Verwendung von SnOx anstelle von ZnO als EEL erreicht. Im Dauerbetrieb haben wir wie auch andere Forschungsgruppen für OSCs mit ZnO-basierten Elektronenextraktionsschichten einen photoinduzierten Degradationsprozess festgestellt, welcher zu einem (reversiblen) Verlust des Füllfaktors und der Leerlaufspannung führt. Als Ursache für die photoinduzierte Degradation wurde ein unter Beleuchtung starker Anstieg der Ladungsträgerdichte im ZnO-EEL identifiziert, welcher einen Verlust der Selektivität für Elektronen und eine erhöhte parasitäre Rekombination nach sich zieht. Wir konnten aufzeigen, dass die photoinduzierte Degradation und der damit einhergehende Abfall der Bauteil-Eigenschaften durch die Verwendung von SnOx als EEL überwunden werden kann. Als Ursache wurde eine deutlich unterschiedliche Elektronenstruktur der Oberfläche von SnOx im Vergleich zu ZnO identifiziert. Die Ergebnisse zu SnOx als EEL inspirierten eine Fülle von Forschungsarbeiten in unseren Gruppen und weltweit. Beispiele hierfür sind die erfolgreiche Verwendung von SnOx sowohl in invertierten fullerenfreien OSCs als auch in rein oxidischen Rekombinationskontakten von organischen sowie Perowskit/organischen Tandem-Solarzellen. SnOx hat sich zudem zu einem der am häufigsten verwendeten EELs für Perowskit-Solarzellen entwickelt. Darüber hinaus haben wir die elektronische Struktur von organisch-anorganischen Metallhalogenid- Perowskit-Absorbern in Abhängigkeit vom Substrat (n-Typ SnO2 und p-Typ NiOx) untersucht. Wir konnten zeigen, dass das Substrat keinen Einfluss auf die Dotierung des Perowskit-Absorbers ausübt, wie es in der Literatur häufig angenommen wird und, dass der Perovkit/HEL Kontakt der photovoltaisch aktive Kontakt ist. Das Projekt insgesamt kann als außerordentlich erfolgreich bezeichnet werden. Insgesamt wurden 25 Zeitschriftenartikel in exzellenten Journalen (darunter Adv. Mater., Nature Comms. und Nature) veröffentlicht, die auf Arbeiten beruhen die ganz oder zum Teil durch das Projekt finanziert wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Room-temperature solution processed SnOx as electron extraction layer for inverted organic solar cells with superior thermal stability, J. Mater. Chem. 22, 16224 (2012)
S. Trost, K. Zilberberg, A. Behrendt, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2jm33445c) - Transition Metal Oxides for Organic Electronics: Energetics, Device Physics and Applications, Adv. Mater. 24, 5408 (2012)
J. Meyer, S. Hamwi, M. Kröger, W. Kowalsky, T. Riedl, and A. Kahn
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201201630) - Energy Band Alignment between Anatase and Rutile TiO2. Journal of Physical Chemistry Letters, 4(23): p. 4182-4187 (2013)
V. Pfeifer, P. Erhart, S. Li, K. Rachut, J. Morasch, J. Broetz, P. Reckers, T. Mayer, S. Ruehle, A. Zaban, I. Mora Sero, J. Bisquert, W. Jaegermann, and A. Klein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jz402165b) - Overcoming the “light-soaking” issue in inverted organic solar cells by the use of Al:ZnO electron extraction layers, Adv. Energy Mater. 3, 1437 (2013)
S. Trost, K. Zilberberg, A. Behrendt, A. Polywka, P. Görrn, P. Reckers, J. Maibach, T. Mayer, T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201300402) - Solution Processed Metal-Oxides for Organic Electronic Devices, J. Mater. Chem. C 1, 4796 (2013)
K. Zilberberg, J. Meyer, and T. Riedl
- Deep and shallow TiO2 gap states on cleaved anatase single crystal (101) surfaces, nanocrystalline anatase films, and ALD titania ante and post annealing, J. Phys. Chem C 119, 9890 (2015)
P. Reckers, M. Dimamay, J. Klett, S. Trost, K. Zilberberg, T. Riedl, B. Parkinson, J. Brötz, W. Jaegermann, and T. Mayer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b01264) - Plasmonically sensitized metal-oxide electron extraction layers for organic solar cells, Sci. Rep. 5, 7765 (2015)
S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, A. Behrendt, A. Polywka, R. Heiderhoff, P. Görrn, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep07765) - Tin Oxide (SnOx) as Universal “Light-Soaking” Free Electron Extraction Material for Organic Solar Cells, Adv. Energy Mater. 5, 1500277 (2015)
S. Trost, A. Behrendt, T. Becker, A. Polywka, P. Görrn, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201500277) - Avoiding Photoinduced Shunts in Organic Solar Cells by the Use of Tin Oxide (SnOx) as Electron Extraction Material Instead of ZnO, Adv. Energy Mater. 6, 1600347 (2016)
S. Trost, T. Becker, A. Polywka, P. Görrn, M. F. Oszajca, N. A. Luechinger, D. Rogalla, M. Weidner, P. Reckers, T. Mayer, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201600347) - Indium-Free Perovskite Solar Cells Enabled by Impermeable Tin-Oxide Electron Extraction Layers, Adv. Mater. 29, 1606656 (2017)
T. Hu, T. Becker, N. Pourdavoud, J. Zhao, K. Brinkmann, R. Heiderhoff, T. Gahlmann, Z. Huang, S. Olthof, K. Meerholz, D. Többens, B. Cheng, Y. Chen, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201606656) - Self-Encapsulating Thermostable and Air- Resilient Semitransparent Perovskite Solar Cells, Adv. Energy Mater. 7, 1602599 (2017)
J. Zhao, K. Brinkmann, T. Hu, N. Pourdavoud, T. Becker, T. Gahlmann, R. Heiderhoff, A. Polywka, P. Görrn, Y. Chen, B. Cheng, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201602599) - Suppressed decomposition of organo-metal halide perovskites by impermeable electron extraction layers in inverted solar cells, Nature Communications 7, 13938 (2017)
K. Brinkmann, J. Zhao, N. Pourdavoud, T. Becker, T. Hu, S. Olthof, K. Meerholz, L. Hoffmann, T. Gahlmann, R. Heiderhoff, M. F. Oszajca, N. A. Luechinger, D. Rogalla, Y. Chen, B. Cheng, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms13938) - All-Oxide MoOx/SnOx Charge Recombination Interconnects for Inverted Organic Tandem Solar Cells, Adv. Energy Mater. 8, 1702533 (2018)
T. Becker, S. Trost, A. Behrendt, I. Shutsko, A. Polywka, P. Görrn, P. Reckers, C. Das, T. Mayer, D. Di Carlo Rasi, K. H. Hendriks, M. M. Wienk, R. A. J. Janssen, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201702533) - Metal Oxide-Based Charge Extraction and Recombination Layers for Organic Solar Cells In: The Future of Semiconductor Oxides in Next-Generation Solar Cells, Elsevier, p. 159-181 (2018)
T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/b978-0-12-811165-9.00005-3) - Extremely robust gas quenching deposition of halide perovskites on top of hydrophobic hole transport materials for inverted (p-i-n) solar cells by targeting the precursor wetting issue, ACS Applied Mater. & Interfaces 11, 40172 (2019)
K. O. Brinkmann, J. He, F. Schubert, J. Malerczyk, C. Kreusel, F. van gen Hassend, S. Weber, J. Song, J. Qu, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsami.9b15867.s001) - Impermeable charge transport layers enable aqueous processing on top of perovskite solar cells, Adv. Energy Mater. 10, 1903897 (2020)
T. Gahlmann, K. O. Brinkmann, T. Becker, C. Tückmantel, C. Kreusel, F. van gen Hassend, S. Weber, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.201903897) - The Electronic Structure of MAPI-Based Perovskite Solar Cells: Detailed Band Diagram Determination by Photoemission Spectroscopy Comparing Classical and Inverted Device Stacks, Advanced Energy Materials, 10, 2002129 (2020)
T. Hellmann, C. Das, T. Abzieher, J.A. Schwenzer, M. Wussler, R. Dachauer, U.W. Paetzold, W. Jaegermann, and T. Mayer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/aenm.202002129) - Perovskite - organic tandem solar cells with indium oxide interconnect, Nature
K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, T. Gahlmann, M. Theisen, T. Haeger, S. Olthof, C. Kreusel, M. Günster, T. Maschwitz, F. Göbelsmann, C. Koch, D. Hertel, P. Caprioglio, L. Perdigon, A. Al-Ashouri, L. Merten, A. Hinderhofer, L. Gomell, S. Zhang, F. Schreiber, S. Albrecht, K. Meerholz, D. Neher, M. Stolterfoht, and T. Riedl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41586-022-04455-0)
