Laterale elektrooptische Charakterisierung von organischen Solarzellen
Solarzellen auf der Basis konjugierter Polymere sind aussichtsreiche Vertreter der Dünnschichtphotovoltaik. Im Labormaßstab werden mittlerweile Energiekonversions-effizienzen erreicht, die mit denen kommerzieller Dünnschichttechnologien, z.B. amorphen Silizium-solarzellen, vergleichbar sind [1]. Aufgrund der potentiell niedrigen Material- und Prozessierungskosten und einem gleichzeitig hohen Produktionsdurchsatz wächst die umweltpolitische wie kommerzielle Relevanz dieser Technologie stetig [2]. Die Verwendung organischer Materialien birgt jedoch den Nachteil einer geringen Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen. Das komplexe Zusammenwirken von physikalischen und chemischen Prozessen im Schichtaufbau der Solarzelle führt zu einer vergleichbar schnellen Degradation, d.h. einer zeitlich fortschreitenden Verringerung der Effizienz [3]. Darüber hinaus wirkt sich die generelle Architektur von Dünnschichtsolarzellen negativ auf die Effizienz hochskalierter Solarzellen mit großer Fläche aus [4].
Im Rahmen dieses Promotionsprojektes wird eine Messmethodik zusammen mit einer entsprechenden Modellierung entwickelt, die die schnelle und gezielte Charakterisierung von Dünnschichtsolarzellen ermöglichen. Exemplarisch werden dabei in erster Linie Polymer-Solarzellen und -Module untersucht. Das Messverfahren, welches auf der ortsaufgelösten Detektion von Lumineszenzstrahlung mittels CCD-Kamera basiert, ist dabei einfach umsetzbar und kann nach hinreichender Optimierung zukünftig eine erweiterte Charakterisierung während des Produktionsprozesses ermöglichen. Neben den technischen Aspekten der Methodik sowie deren Einsatz zur Qualitätskontrolle von Solarzellen spielen insbesondere die physikalischen Aspekte des detektierten Messsignals eine wesentliche Rolle. Durch kombinierte elektrische und optische Anregung des photoaktiven organischen Materials wird mit der entwickelten Methode erstmals eine qualitative und quantitative Unterscheidung zwischen Degradation der Ladungsträger-injizierenden Elektroden und des Licht absorbierenden bzw. emittierenden organischen Halbleiters erreicht [5, 6]. Für eine quantitative Analyse zur Bestimmung von Materialeigenschaften lassen sich Rezipozitätsrelationen ableiten, die aus der physikalischen Umkehrbarkeit mikroskopischer Prozesse resultieren [7, 8]. Für eine, aufgrund der Dünnschichtarchitektur benötigte, laterale Modellierung werden die abgeleiteten Relationen mit einem Modell verknüpft, das die lokale Beschreibung der Solarzelle erlaubt [9]. Die kombinierte Modellierung wird dann im Rahmen von Simulationen genutzt, um reale lokale Defekte theoretisch zu reproduzieren und um deren Einfluss auf das globale Leistungsverhalten der Solarzelle zu bestimmen.
[1] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, et al., Progress in Photovoltaics: Research and Applications 20, 606-614 (2012).
[2] T. D. Nielsen, C. Cruickshank, S. Foged, et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 94, 1553-1571 (2010).
[3] M. Jørgensen, K. Norrman and F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92, 686-714 (2008).
[4] H. Hoppe, M. Seeland and B. Muhsin, Solar Energy Materials and Solar Cells 97, 119-126 (2012).
[5] M. Seeland, R. Rösch and H. Hoppe, Journal of Applied Physics 109, 064513 (2011).
[6] M. Seeland, R. Rösch and H. Hoppe, Imaging Techniques for Studying OPV Stability and Degradation, in Stability and Degradation of Organic and Polymer Solar Cells, edited by F. C. Krebs (John Wiley & Sons, 2012).
[7] P. Würfel, Journal of Physics C-Solid State Physics 15, 3967-3985 (1982).
[8] U. Rau, Physical Review B 76, 085303 (2007).
[9] M. Seeland, R. Rösch and H. Hoppe, Journal of Applied Physics 111, 024505 (2012).