Separation von mikrostruktur-bedingten und photo-induzierten Degradationsmechanismen in NFA basierten organischen Solarzellen (Projekt 9)

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph J. Brabec
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461909888

Mit der Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFAs) wurden zwei wichtige Degradationsprozesse in organischen Solarzellen (OSZ) beseitigt: die Dimerisierung von Fullerenen und die Diffusion von Fullerenen. In einzelnen Experimenten wurde mit ausgewählten NFA basierten Akzeptoren eine außergewöhnliche Lebensdauer gezeigt. Unsere Arbeitsgruppe konnte P3HT:IDTBR-Solarzellen über 25000 Stunden lang ohne offensichtliche Anzeichen von Degradation unter einer Sonne (LED Beleuchtung) und bei Temperaturen von unter 40° C betreiben. Es ist jedoch bekannt, dass höhere Temperaturen sowie UV-/Blau-licht unterschiedliche Degradationsmechanismen in OSZ auslösen kann. In aktuellen Untersuchungen konnten wir erste mögliche Mechanismen für NFA spezifische Degradationsprozessen aufzeigen. Von besonderer Bedeutung ist eine deutlich ausgeprägte Wellenlängenabhängigkeit für die Photodegradation, die überraschenderweise weit in den Bereich von 500 nm hineinreicht. Ebenfalls konnten wir beobachten, dass die Gestaltung der ladungserzeugenden Grenzflächen zwischen dem Donor und dem Akzeptor ein Schlüsselparameter für eine verbesserte thermische Stabilität sind. Die Kontrolle der Donor/NFA-Mikrostruktur ist daher von zentraler Bedeutung für das Teilprojekt P9-Brabec/Li. Um den Einfluss der Mikrostruktur auf die Degradationsmechanismen aufzuklären, werden wir Bulk-Heterojunction (BHJ), Bilayer (BL) als auch Pseudo-Bilayer (PBL) Solarzellen vergleichend untersuchen. Die Herstellung dieser Architekturen durch konventionelle Drucktechniken, durch Schichttransfer oder durch orthogonale Lösungsmittelprozessierung wurde in unseren Arbeitsgruppen bereits demonstriert und erlaubt eine präzise und reproduzierbare Kontrolle der Mikrostruktur. Das thermische Degradationsverhalten sowie die spektral aufgelöste photoinduzierte Degradation sollen für diese Referenzarchitekturen untersucht und mit der Alterungskinetik der BHJ Architektur verglichen werden. Die Degradation von teilweise fertigen Solarzellenstapeln wird es ermöglichen, die Wechselwirkungen benachbarter Schichten auf die Alterung zu untersuchen und daraus die führenden Degradationsmechanismen zu identifizieren und zu isolieren. Mit Hilfe von maschinellem Lernen werden Korrelationen zwischen experimentellen Daten (z. Bsp. Absorption, transiente Photolumineszenz oder elektrischen Messungen) und der Alterung von NFA basierten OSZ untersucht, um darauf basierend prädiktive Modelle zur Vorhersage der Alterungsmechanismen und Alterungskinetik zu entwickeln. Anhand der in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden sich materialspezifische Strategien entwickeln lassen, die die thermische und photoinduzierte Degradation von NFA basierten Solarzellen verhindern und damit hochstabile organische Solarzellen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5387: Gedruckte & stabile organische Photovoltaik mit Nicht-Fullerenakzeptoren
• Mitverantwortlich: Dr. Ning Li