Entwicklung und Anwendung einer Computer-Simulationsmethode zur Untersuchung von Verlust-Prozessen in polymer-basierten Solarzellen
Final Report Abstract
In diesem Projekt haben wir eine neue feld-basierte Mehrskalen-Simulationsmethode zur Optimierung der photovoltaischen Leistung von Polymer-Solarzellen-Nanogeräten entwickelt. Mit Hilfe der sog. DMC-SCFT-Methode fanden wir in den ersten drei Forschungsarbeiten heraus, dass Verlust-Phänomene, aufgrund inhärenter struktureller Inhomogenitäten, die interne Quanteneffizienz nanostrukturierter dünner Filme aus Polymer-Blenden und Block-Copolymeren dramatisch absenken können. Darüber hinaus demonstrierten wir den Nutzen der DMC-SCFT-Methode zur Untersuchung des Einflusses charakteristischer Merkmale von Bulk-Polymer-Solarzellen-Materialien, wie z.B. der Ketten-Architektur, Monomer-Wechselwirkungen, Elektroden-Oberflächen und Verunreinigungen in der photoaktiven Schicht, sowie äußerer Einwirkungen, wie z.B. mechanischer Belastungen und externer elektrischer Felder bei Nachbearbeitungsverfahren, auf die photovoltaische Leistung von Polymer-Solarzellen. Um den Effekt der chemischen Details, wie z.B. der Vermischung der D- und A-Segmente und/oder Photoxidation der Monomere, miteinzubeziehen, entwickelten wir eine neue teilchen-basierte Mehrskalen-Solarzellen-Simulationsmethode. Das Verfahren beruht auf der Transformation der Segment-Dichte-Darstellung einer nanostrukturierten Morphologie, die mit der SCFT-Methode erzeugt wurde, in eine voll-atomistische Teilchendarstellung. Mit Hilfe dieser teilchen-basierten Solarzellen-Methode konnten wir zeigen, dass, aufgrund der Vermischung der D- und A-Monomere, der Hauptteil der Ladungserzeugung und des Ladungstransports in nanostrukturierten PFB-F8BT-Blenden im Inneren der Nanophasen stattfindet, im Einklang mit experimentellen Beobachtungen, und nicht an den sichtbaren Phasengrenzen der DA-Grenzfläche. Zudem, haben wir herausgefunden, dass durch Photooxidation induzierte Keto-Defekte am Fluoren-Anteil der F8BT-Phase sowohl einen Anstieg der Intra-Ketten-Beiträge als auch einen Abfall der Inter-Ketten-Beiträge zur Elektronenstrom-Dichte verursachen, was zu einem keto-induzierten Elektroneneinfang auf derselben Polymer-Kette und somit zu einer Verschlechterung der Elektronentransporteffizienz in der F8BT-Phase führt. Außerdem, konnten wir in einer weiteren Arbeit mit der teilchen-basierten Methode demonstrieren, dass die Tapering-Technologie eine effektives Verfahren zur Steigerung der photovoltaischen Leistung von Block-Copolymer-Solarzellen durch Optimierung der Vermischung der D- und A-Segmente unter Beibehaltung der Nanostruktur ist. Schließlich konnten wir durch Kombination einer neu-entwickelten parametrisierten Version der feld-basierten Mehrskalen-Solarzellen-Simulationsmethode mit der Transfer-Matrix-Methode zusätzlich den Einfluss der Heterostruktur auf die Photoabsorption in großskaligen Polymer-Solarzellen-Nanogeräten mitberücksichtigen. Dadurch konnten wir zeigen, dass zur Verbesserung der Geräteleistung die Reduktion von Ladungsträgerverlusten wichtiger ist als die Reduktion von Exzitonen- und Photonenverlusten.
Publications
- A new multiscale modeling method for simulating the loss processes in polymer solar cell nanodevices, J. Chem. Phys. 136, 194102-1-194102-12 (2012)
A. Pershin, S. Donets und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4712622) - A multiscale modeling study of loss processes in block-copolymer-based solar cell nanodevices, J. Chem. Phys. 138, 094901-1-094901-13 (2013)
S. Donets, A. Pershin, M. J. A. Christlmaier und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4792366) - Performance enhancement of block-copolymer solar cells through tapering the donor-acceptor interface: A multiscale study, Polymer 55, 1507-1513 (2014)
A. Pershin, S. Donets und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1016/j.polymer.2014.01.052) - Photocurrent contribution from inter-segmental mixing in donor-acceptor-type polymer solar cells: A multiscale simulation study, Polymer 55, 3736-3745 (2014)
A. Pershin, S. Donets und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1016/j.polymer.2014.06.038) - Computation of full polymer-based photovoltaic nanodevices using a parametrized field-based multiscale solar-cell approach, Organic Electronics 22, 216–228 (2015)
S. Donets, A. Pershin und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1016/j.orgel.2015.03.049) - Optimizing the fabrication process and interplay of device components of polymer solar cells using a field-based multiscale solar-cell algorithm, J. Chem. Phys. 142, 184902-1-184902-16 (2015)
S. Donets, A. Pershin und S. A. Baeurle
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4919649)
