Einfluß der Morphologie auf die Verlustmechanismen in gedruckten Solarzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Deibel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461909888

Die beiden Ziele dieses Projekts sind a) das Verständnis der Verlustmechanismen in vollständig gedruckten organischen Solarzellen auf der Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs) und b) die Nutzung dieses Verständnisses zur Vorhersage der endgültigen Leistung von gedruckten großflächigen NFA-basierten Bauteilen. Wir fokussieren uns darauf, wie die Nanomorphologie (nm-Skala) und die Mikrostruktur (μm-Skala) der gedruckten organischen Schichten die Rekombinationsausbeute und die Transportverluste beeinflussen und wie sich dies letztendlich auf die Leistung der gedruckten photovoltaischen Solarzellen auswirkt. In dieser Arbeit werden sowohl physikalische Experimente als auch numerische Simulationen eingesetzt. Es wird ein "hyperspektraler" Ansatz entwickelt, um die absoluten Photolumineszenzspektren von Ladungstransferkomplexen bei optischer Anregung lateral aufgelöst zu messen, um die Leerlaufspannung gedruckter aktiver Schichten vor der Abscheidung von Elektroden vorherzusagen. Die Interpretation wird durch ein mikroskopisches 2D-Netzwerkmodell unterstützt, das der Solarzellenoberfläche entspricht, wobei jeder Knotenpunkt aus einer vollständigen Drift-Diffusionssimulation besteht. Wir werden auch die Auswirkungen der Nanomorphologie - die im Rahmen des Konsortiums gemessen und modelliert wird - auf die Bauteilphysik durch eine Kombination von Experimenten und 3D-Drift-Diffusionssimulationen untersuchen. Um ein tieferes Verständnis zu erlangen, werden wir die detaillierten Rekombinationsverluste der Ladungsträgerkonzentration und -lebensdauer in der Frequenzdomäne messen. Wir werden die experimentellen Daten durch globale Anpassung unter Verwendung des Drift-Diffusions-Modells mit maschinellem Lernen auswerten, um die limitierenden Faktoren zu verstehen, die die Gesamtleistung der Solarzellen begrenzen. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, ein detailliertes Verständnis sowohl der Bauteilphysik auf verschiedenen Längenskalen als auch der Art und Weise zu erlangen, wie diese physikalischen Prozesse letztendlich die Eigenschaften von großflächigen gedruckten Solarzellen bestimmen. In Kombination mit den anderen Projekten innerhalb des POPULAR-Konsortiums werden wir die Funktions-Eigenschafts-Beziehungen von gedruckten organischen Solarzellen auf NFA-Basis entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5387: Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Großgeräte: System for CT photoluminescence mapping
• Gerätegruppe: 0260 Strahlungsmeßplätze (außer 033, 330-339, 405 und 615-619)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Roderick MacKenzie