Den Füllfaktor von auf Non-Fulleren-Akzeptor basierenden Solarzellen über 80% erhöhen: Der Zusammenhang zwischen Ordnung, reduzierten Rekombinationsverlusten und Bauteilperformance

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Dieter Neher; Professorin Dr. Safa Shoaee
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450968074

Im Bereich der organischen Elektronik, wie in unserem ursprünglichen Vorschlag erläutert, bleibt der Füllfaktor (FF) organischer Solarzellen (OSZs) konsequent hinter den Prognosen der Shockley-Queisser-Theorie zurück. Bemerkenswerterweise haben nur eine begrenzte Auswahl von Systemen FF-Werte erreicht, die 80% erreichen oder übersteigern. Interessanterweise weisen die Mehrheit solcher Zellen mit hohem FF nur moderate Ladungsträgermobilitäten im Bereich von 〖10〗^(-3) (cm^2)/Vs auf. Das hindeutet darauf hin, dass stark reduzierte nicht-geminate Rekombination (NGR) substantiell für hohe FFs ist. Während des ersten Förderzeitraums lag unser Schwerpunkt hauptsächlich auf der Untersuchung des Zusammenspiels von struktureller Ordnung, energetischer Unordnung und NGR. Unsere Untersuchungen ergaben, dass eine höhere energetische Unordnung die NGR beschleunigt, ein Phänomen, was durch die Existenz niedrig liegender Zustände in einer energetisch verbreiterten Verteilung von Charge Transfer- (CT) Zuständen erklärt wird, die gemäß dem Energieabstandsgesetz mit deutlich beschleunigten Raten rekombinieren. Umgekehrt beobachteten wir einen deutlichen Anstieg der Ladungsträgerdichte unter Leerlaufspannung mit abnehmender Temperatur, was darauf hindeutet, dass die Energetik im Blend die Dissoziation der CT gegenüber ihrer Bildung durch die NRG freier Ladungen bei kleinen Temperaturen bevorzugt Das übergreifende Ziel dieses Fortsetzungsantrags ist es, eine umfassende Aufklärung aller Prozesse zu liefern, die die Rate der freien Ladungsträgerrekombination in organischen Solarzellen bestimmen. Um dies zu erreichen, schlagen wir die Nutzung einer breiten Auswahl an stationären und transienten Techniken vor, die an der Universität Potsdam und am Paul-Drude-Institut für Festkörperforschung etabliert sind. Dazu gehören transiente und stationäre photoinduzierte Absorption sowie transiente und stationäre Photolumineszenz, die genutzt werden, um die Besetzung und den Zerfall relevanten Zustände zu untersuchen. Unsere Untersuchungen werden eine Untersuchung der Rolle des Triplettzustands bei der Ladungsträgerrekombination, das dynamische Gleichgewicht aus der Bildung von CT Zuständen aus freien Ladungsträgern und ihre nachfolgende Wiederaufspaltung, die Untersuchung der relevanten Zustandsdichteverteilung für photogenerierte und dunkel-injizierte Ladungen, sowie eine Bestimmung der charakteristischen Merkmale von hoch-FF-Donor-Akzeptor-Mischungen umfassen. Die Erkenntnisse, die aus diesen umfangreichen Untersuchungen gewonnen werden, werden uns das erforderliche Wissen liefern, um Methoden und Empfehlungen zur Unterdrückung von Rekombinationsraten und zur Steigerung von FFs zu formulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen