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

Solarzellen, die auf organischen bulk heterojunctions, also Mischungen aus Elektronendonatoren und –akzeptoren, basieren, haben in der letzten Zeit einen deutlichen Aufschwung erfahren. Das liegt vor allem an der Entwicklung von Non-Fulleren-Akzeptoren (NFAs), mit deren Hilfe die Leistungseffizienz der Bauteile deutlich erhöht werden konnte. Derzeit liegt der zertifizierte Effizienzrekord für single junction Zellen bei 17,6%. Ein wichtiger photovoltaischer Parameter ist der Füllfaktor (FF), dessen Wert durch die Feldabhängigkeit der Generierung und Extraktion freier Ladungen in Konkurrenz zu ihrer geminalen und nichtgeminalen Rekombination bestimmt ist. Allerdings liegen die Füllfaktoren solcher hocheffizienten organischen Solarzellen noch deutlich unter den durch die Shockley-Queisser-Theorie vorhergesagten Werten. Das übergreifende Ziel dieses Projekts ist es daher zu untersuchen, wie sich die Kristallinität und Mischbarkeit von Donator- und Akzeptormolekülen in der photoaktiven Blendschicht auf die physikalischen Prozesse auswirkt, die die JV-Kennlinie bestimmen. Wir werden uns dabei auf den Transport und die Rekombination freier photogenerierter Ladungsträger in Bezug auf die strukturellen und energetischen Eigenschaften der Schichten konzentrieren. Zu diesem Zweck werden wir verschiedene an der Universität Potsdam etablierte Techniken wie T-dependent space charge limited currents, resistive photovoltage, time-delayed collection field und photoinduzierte Absorption kombinieren und ein schlüssige Modell der Ladungsträgerdynamik entwickeln. Die Untersuchungen werden an einer Reihe von Y-type NFAs durchgeführt, die aufgrund ihrer spezifischen chemischen und strukturellen Eigenschaften ausgewählt werden. Die experimentellen Ergebnisse dienen dann als Eingangsgrößen für numerische Simulationen, um die aus den Experimenten gezogenen Schlussfolgerungen zur Rolle der Ladungsträgerrekombination an Oberflächen und im Filmvolumen (bulk) zu verifizieren, und wie sie den FF aber auch die Leerlaufspannung der Zellen beeinflussen. Auf diesem Weg sollen die Kriterien identifiziert werden, die für eine effiziente Ladungsträgerextraktion bei gleichzeitig stark unterdrückter (nicht-Langevin-) Rekombination erfüllt sein müssen, um so den FF der Bauteile verlässlich auf über 80% zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Yingping Zou, Ph.D.