Verständnis der Quanteneigenschaften von angeregten Zuständen an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche – auf dem Weg zu effizienten organischen Solarzellen mit minimalem Energieverlust

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Denis Andrienko; Professor Dr. Christoph J. Brabec; Professor Dr. Dieter Neher; Professorin Dr. Safa Shoaee
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460766640

Die derzeitigen Fortschritte im Bereich der organischen Solarzellen (OSCs), vor allem durch die Entwicklung von non-Fulleren-Akzeptoren (NFAs), haben das Forschungsgebiet deutlich verändert. Insbesondere scheinen NFA-basierte OSCs nur einen kleinen Energie-Offset an der DA Grenzfläche für eine effiziente Ladungsträgergenerierung zu benötigen, was hoeherer Leerlauf¬spannung ermoeglicht. Damit stellt sich die Frage, ob die Effizienz von NFA-basierten OSCs durch die gleichen Mechanismen bestimmt wird wie in Fulleren-basierten Zellen, und ob mit Hilfe geeignet designter NFAs und Morphologien effiziente Zellen mit einem vernachlässigbaren Energieverlust an der Grenzfläche realisiert werden können. Die geplanten Untersuchungen werden sich mit den Quanteneigenschaften der angeregten Grenzflächenzustände, üblicherweise als CT-Zustände bezeichnet, in Bezug auf die Generierung, Trennung und Rekombination von Ladungsträgern beschäftigen. Dabei kommen zeitaufgelöste Photolumineszenz, transiente Absorptionsspektroskopie auf der Femto-sekunden-Zeitskala, temperatur- und zeitabhängige TDCF-Messungen (time delayed collection field) sowie quasistationäre photoinduzierte Absorptionsspektroskopie zum Einsatz. Es werden Donator-Akzeptor-Systeme aus Polymeren und NFAs untersucht, bei denen das HOMO des polymeren Donators in Schritten von 60 meV variiert wird. Messungen an verschiedenen Schichtmorphologien, von definierten Zweischichtstapeln über optimierte Mischfilme (bulk heterojunctions) bis hin zu stark verdünnten Mischungen dienen der Untersuchung der Rolle der direkten Umgebung der Grenzflächenanregungen. Die einzigartige Kombination unserer transienten und stationären Messmethoden zusammen mit computergestützten Modellierungen wird detaillierte Einblicke in die Prozesse erlauben die die Rate der Bildung, Dissoziation, Wiederbildung und Zerfall der Grenzflächenanregungen in diesen energetisch und morphologisch wohldefinierten Proben bestimmen. Durch Aufklärung der Rolle der Quanteneigenschaften in den elementaren photovoltaischen Prozessen wollen wir Strategien zur Realisierung effizienter OSCs mit minimalem Energieverlusten entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Griechenland, Italien, Niederlande
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Giulio Cerullo; Dr. Christos Chochos; Professorin Dr. Maria A. Loi