Organische Solarzelle

Eine organische Solarzelle oder eine Kunststoffsolarzelle ist eine Art von Photovoltaik, die organische Elektronik, einen Zweig der Elektronik, der sich mit leitfähigen organischen Polymeren oder kleinen organischen Molekülen beschäftigt, für die Lichtabsorption und den Ladungstransport verwendet, um durch den photovoltaischen Effekt Elektrizität aus Sonnenlicht zu erzeugen. Die meisten organischen photovoltaischen Zellen sind Polymersolarzellen.

Die in organischen Solarzellen verwendeten Moleküle sind bei hohem Durchsatz lösungstechnisch verarbeitbar und billig, was zu niedrigen Herstellungskosten führt, um ein großes Volumen herzustellen. In Kombination mit der Flexibilität organischer Moleküle sind organische Solarzellen potenziell kosteneffektiv für photovoltaische Anwendungen. Molecular Engineering (z. B. Ändern der Länge und der funktionellen Gruppe von Polymeren) kann die Bandlücke verändern, was eine elektronische Abstimmbarkeit ermöglicht. Der optische Absorptionskoeffizient von organischen Molekülen ist hoch, so dass eine große Menge an Licht mit einer kleinen Menge von Materialien absorbiert werden kann, üblicherweise in der Größenordnung von Hunderten von Nanometern. Die Hauptnachteile, die mit organischen photovoltaischen Zellen verbunden sind, sind geringe Effizienz, geringe Stabilität und geringe Festigkeit im Vergleich zu anorganischen photovoltaischen Zellen, wie etwa Silizium-Solarzellen.

Im Vergleich zu siliziumbasierten Bauelementen sind Polymersolarzellen leichtgewichtig (was für kleine autonome Sensoren wichtig ist), potenziell wegwerfbar und kostengünstig herzustellen (manchmal mit gedruckter Elektronik), flexibel, auf molekularer Ebene anpassbar und potenziell weniger umweltschädlich. Polymer-Solarzellen haben auch das Potenzial, Transparenz zu zeigen, was Anwendungen in Fenstern, Wänden, flexibler Elektronik usw. nahelegt. Ein Beispielgerät ist in 1 gezeigt. Die Nachteile von Polymer-Solarzellen sind auch ernst: sie bieten etwa 1/3 von die Effizienz von harten Materialien und erfahren erhebliche photochemische Abbau.

Polymer-Solarzellen Ineffizienz und Stabilität Probleme, in Verbindung mit ihren Versprechen von niedrigen Kosten und erhöhte Effizienz machte sie zu einem beliebten Bereich in der Solarzellenforschung. Ab 2015 konnten Polymer-Solarzellen über eine Tandem-Struktur eine Effizienz von über 10% erreichen.

Physik
Eine photovoltaische Zelle ist eine spezialisierte Halbleiterdiode, die Licht in Gleichstrom (DC) umwandelt. Abhängig von der Bandlücke des lichtabsorbierenden Materials können photovoltaische Zellen auch niederenergetische, infrarote (IR) oder hochenergetische, ultraviolette (UV) Photonen in Gleichstrom umwandeln. Ein gemeinsames Merkmal sowohl der kleinen Moleküle als auch der Polymere, die als lichtabsorbierendes Material in der Photovoltaik verwendet werden, ist, dass sie alle große konjugierte Systeme haben. Ein konjugiertes System wird gebildet, in dem Kohlenstoffatome kovalent an abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen binden. Die pz-Orbitale dieser Kohlenwasserstoffe lösen eine Delokalisierung und bilden ein delokalisiertes π-Bindungsorbital mit einem antibindenden π * -Orbital. Das delokalisierte π-Orbital ist das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO), und das π * -Orbital ist das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO). In der organischen Halbleiterphysik übernimmt das HOMO die Rolle des Valenzbandes, während das LUMO als Leitungsband fungiert. Die Energietrennung zwischen den HOMO- und LUMO-Energieniveaus wird als die Bandlücke von organischen elektronischen Materialien betrachtet und liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 4 eV.

Alles Licht mit einer Energie größer als die Bandlücke des Materials kann absorbiert werden, obwohl es einen Kompromiss gibt, die Bandlücke zu verringern, da Photonen, die mit Energien oberhalb der Bandlücke absorbiert werden, ihre überschüssige Energie thermisch abgeben, was zu niedrigeren Spannungen führt und Leistungsumwandlungseffizienzen. Wenn diese Materialien ein Photon absorbieren, wird ein angeregter Zustand erzeugt und auf ein Molekül oder eine Region einer Polymerkette beschränkt. Der angeregte Zustand kann als ein Exziton oder ein Elektron-Loch-Paar betrachtet werden, das durch elektrostatische Wechselwirkungen miteinander verbunden ist. In photovoltaischen Zellen werden Exzitonen durch effektive Felder in freie Elektron-Loch-Paare aufgebrochen. Die effektiven Felder werden eingerichtet, indem ein Heteroübergang zwischen zwei unterschiedlichen Materialien erzeugt wird. In der organischen Photovoltaik brechen effektive Felder Exzitonen auf, indem sie bewirken, dass das Elektron vom Leitungsband des Absorbers zum Leitungsband des Akzeptormoleküls fällt. Es ist notwendig, dass das Akzeptormaterial eine Leitungsbandkante aufweist, die niedriger ist als die des Absorbermaterials.

Polymersolarzellen bestehen üblicherweise aus einer Elektronen- oder Lochblockierungsschicht auf einem leitfähigen Indiumzinnoxid (ITO) -Glas, gefolgt von einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor (im Falle von Bulk-Heterojunction-Solarzellen), einer Loch- oder Elektronenblockierung Schicht und Metallelektrode oben. Die Art und Reihenfolge der Blockierungsschichten – sowie die Art der Metallelektrode – hängt davon ab, ob die Zelle einer regulären oder einer invertierten Bauelementarchitektur folgt. In einer invertierten Zelle verlassen die elektrischen Ladungen die Vorrichtung in der entgegengesetzten Richtung wie in einer normalen Vorrichtung, da die positiven und negativen Elektroden umgekehrt sind. Umgekehrte Zellen können Kathoden aus einem geeigneteren Material verwenden; Umgekehrte OPVs haben eine längere Lebensdauer als regulär strukturierte OPVs, erreichen aber normalerweise keine so hohen Wirkungsgrade wie reguläre OPVs.

In Bulk-Heterojunction-Polymersolarzellen erzeugt Licht Exzitonen. Anschließende Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen einer Elektronendonor- und Akzeptormischung innerhalb der aktiven Schicht der Vorrichtung. Diese Ladungen transportieren dann zu den Elektroden des Geräts, wo die Ladungen aus der Zelle strömen, führen Arbeit durch und treten dann erneut in das Gerät auf der gegenüberliegenden Seite ein. Die Effizienz der Zelle ist durch mehrere Faktoren begrenzt, insbesondere durch Nicht-Geminat-Rekombination. Lochmobilität führt zu einer schnelleren Leitung über die aktive Schicht.

Organische Photovoltaik besteht aus Elektronendonor- und Elektronenakzeptormaterialien anstelle von Halbleiter-pn-Übergängen. Die Moleküle, die die Elektronendonorregion von organischen PV-Zellen bilden, in denen Exziton-Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, sind im Allgemeinen konjugierte Polymere, die delokalisierte π-Elektronen besitzen, die aus einer Kohlenstoff-p-Orbitalhybridisierung resultieren. Diese π-Elektronen können durch Licht in oder nahe dem sichtbaren Teil des Spektrums vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) des Moleküls bis zum niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO), bezeichnet mit einem π-π * -Übergang, angeregt werden. Die Energiebandlücke zwischen diesen Orbitalen bestimmt, welche Wellenlänge (n) von Licht absorbiert werden können.

Anders als in einem anorganischen kristallinen PV-Zellmaterial mit seiner Bandstruktur und delokalisierten Elektronen sind Excitonen in der organischen Photovoltaik stark mit einer Energie zwischen 0.1 und 1.4 eV gebunden. Diese starke Bindung tritt auf, weil elektronische Wellenfunktionen in organischen Molekülen mehr lokalisiert sind und die elektrostatische Anziehung somit das Elektron und das Loch als Exziton zusammenhalten kann. Das Elektron und das Loch können dissoziiert werden, indem eine Grenzfläche bereitgestellt wird, über die das chemische Potential von Elektronen abnimmt. Das Material, das das Photon absorbiert, ist der Donor, und das Material, das das Elektron akquiriert, wird Akzeptor genannt. In Fig. 2 ist die Polymerkette der Donor und das Fulleren ist der Akzeptor. Selbst nach der Dissoziation können das Elektron und das Loch immer noch als „Geminatpaar“ verbunden sein, und dann ist ein elektrisches Feld erforderlich, um sie zu trennen. Das Elektron und das Loch müssen an den Kontakten gesammelt werden. Wenn die Ladungsträgerbeweglichkeit nicht ausreicht, erreichen die Träger die Kontakte nicht und rekombinieren stattdessen an Fallenstellen oder bleiben in der Vorrichtung als unerwünschte Raumladungen, die dem Strom neuer Träger entgegenwirken. Das letztere Problem kann auftreten, wenn die Elektronen- und Lochmobilitäten nicht übereinstimmen. In diesem Fall behindert der raumladungsbegrenzte Photostrom (SCLP) die Geräteleistung.

Organische Photovoltaik kann mit einem aktiven Polymer und einem Fulleren-basierten Elektronenakzeptor hergestellt werden. Die Bestrahlung dieses Systems mit sichtbarem Licht führt zum Elektronentransfer vom Polymer zum Fullerenmolekül. Als Folge tritt die Bildung eines photoinduzierten Quasiteilchens oder Polarons (P +) an der Polymerkette auf, und das Fulleren wird ein Radikalanion (C-
60). Polaronen sind sehr mobil und können wegdiffundieren.

Verzweigungstypen
Die einfachste organische PV-Vorrichtung weist einen planaren Heteroübergang auf. Ein Film aus organischem aktivem Material (Polymer oder kleines Molekül) vom Elektronendonor- oder Elektronenakzeptortyp ist zwischen Kontakten angeordnet. Exzitonen, die in dem aktiven Material erzeugt werden, können diffundieren, bevor sie rekombinieren und sich trennen, wobei Löcher und Elektronen zu ihrer spezifischen Sammelelektrode diffundieren. Da Ladungsträger in typischen amorphen organischen Halbleitern Diffusionslängen von nur 3-10 nm aufweisen, müssen planare Zellen dünn sein, die dünnen Zellen absorbieren jedoch weniger gut. Bulk Heterojunctions (BHJs) adressieren diesen Mangel. In einem BHJ wird eine Mischung aus Elektronendonor- und -akzeptormaterialien als Gemisch gegossen, das dann phasengetrennt wird. Die Regionen jedes Materials in der Vorrichtung sind nur um einige Nanometer getrennt, ein Abstand, der für die Trägerdiffusion geeignet ist. BHJs erfordern eine empfindliche Kontrolle der Materialmorphologie auf der Nanoskala. Wichtige Variablen umfassen Materialien, Lösungsmittel und das Donor-Akzeptor-Gewichtsverhältnis.

Der nächste logische Schritt über BHJs hinaus sind geordnete Nanomaterialien für Solarzellen oder geordnete Heteroübergänge (OHJs). OHJ minimieren die mit BHJs verbundene Variabilität. OHJs sind im Allgemeinen Hybride aus geordneten anorganischen Materialien und organischen aktiven Regionen. Zum Beispiel kann ein photovoltaisches Polymer in Poren in einer Keramik wie TiO 2 abgeschieden werden. Da Löcher immer noch die Länge der Pore durch das Polymer zu einem Kontakt diffundieren müssen, unterliegen OHJs ähnlichen Dickenbeschränkungen. Die Verringerung des Lochmobilitätsengpasses ist der Schlüssel zur weiteren Verbesserung der Geräteleistung von OHJs.

Einzelne Schicht
Einlagige organische photovoltaische Zellen sind die einfachste Form. Diese Zellen werden hergestellt, indem eine Schicht aus organischen elektronischen Materialien zwischen zwei metallische Leiter gelegt wird, typischerweise eine Schicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) mit hoher Austrittsarbeit und eine Schicht aus Metall mit niedriger Austrittsarbeit wie Aluminium, Magnesium oder Kalzium. Die Grundstruktur einer solchen Zelle ist in dargestellt.

Der Unterschied der Austrittsarbeit zwischen den zwei Leitern erzeugt ein elektrisches Feld in der organischen Schicht. Wenn die organische Schicht Licht absorbiert, werden Elektronen zum LUMO angeregt und hinterlassen Löcher im HOMO, wodurch Exzitonen gebildet werden. Das Potential, das durch die verschiedenen Arbeitsfunktionen erzeugt wird, hilft, die Exzitonenpaare aufzuspalten, Elektronen zur positiven Elektrode (einem elektrischen Leiter, der mit einem nichtmetallischen Teil einer Schaltung in Kontakt kommt) und Löcher zur negativen Elektrode zu ziehen.

Abgestufte Heterojunction
Der Elektronendonor und -akzeptor werden so gemischt, dass der Gradient graduell ist. Diese Architektur kombiniert die kurze Elektronenlaufzeit im dispersen Heteroübergang mit dem Vorteil des Ladungsgefälles der Doppelschichttechnologie.

Kontinuierliche Kreuzung
Ähnlich wie die abgestufte Heterojunction zielt das Konzept der kontinuierlichen Verbindung darauf ab, einen allmählichen Übergang von einem Elektronendonor zu einem Elektronenakzeptor zu realisieren. Das Akzeptormaterial wird jedoch direkt aus dem Donorpolymer in einem Postpolymerisationsmodifikationsschritt hergestellt.

Produktion
Da seine aktive Schicht die Geräteeffizienz weitgehend bestimmt, wurde der Morphologie dieser Komponente viel Aufmerksamkeit geschenkt.

Wenn ein Material in dem Lösungsmittel löslicher ist als das andere, wird es sich zuerst auf dem Substrat ablagern, wodurch ein Konzentrationsgradient durch den Film verursacht wird. Dies wurde für Poly-3-hexylthiophen- (P3HT), Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) -Geräte gezeigt, bei denen das PCBM dazu neigt, sich beim Schleuderbeschichten aus ODCB-Lösungen zum Geräteboden hin anzusammeln. Dieser Effekt ist ersichtlich, weil die löslichere Komponente während des Beschichtungsverfahrens dazu neigt, in Richtung der „lösungsmittelreichen“ Phase zu wandern, wobei sich die löslichere Komponente zum Boden des Films ansammelt, wo das Lösungsmittel länger bleibt. Die Dicke des erzeugten Films beeinflusst die Phasentrennung, da die Dynamik der Kristallisation und des Niederschlags für konzentriertere Lösungen oder schnellere Verdampfungsraten unterschiedlich ist (benötigt, um dickere Vorrichtungen zu bauen). Eine kristalline P3HT-Anreicherung näher an der lochsammelnden Elektrode kann nur für relativ dünne (100 nm) P3HT / PCBM-Schichten erreicht werden.

Die Gradienten in der anfänglichen Morphologie werden dann hauptsächlich durch die Lösungsmittelverdampfungsrate und die Unterschiede in der Löslichkeit zwischen dem Donor und dem Akzeptor innerhalb der Mischung erzeugt. Diese Abhängigkeit von der Löslichkeit wurde unter Verwendung von Fullerenderivaten und P3HT klar gezeigt. Bei der Verwendung von Lösungsmitteln, die langsamer verdampfen (wie Chlorbenzol (CB) oder Dichlorbenzol (DCB)), können größere vertikale Trenn- oder Aggregationsgrade erreicht werden, während schneller verdampfende Lösungsmittel eine viel geringere vertikale Trennung bewirken. Größere Löslichkeitsgradienten sollten zu einer effektiveren vertikalen Trennung führen, während kleinere Gradienten zu homogeneren Filmen führen sollten. Diese zwei Effekte wurden auf P3HT: PCBM-Solarzellen verifiziert.

Die Geschwindigkeit der Lösungsmittelverdampfung sowie Prozesse mit nachgelagerten Lösungsmitteldämpfen oder thermischen Aushärtungen wurden ebenfalls untersucht. Mischungen wie P3HT: PCBM scheinen von thermischen Ausheilprozessen zu profitieren, während andere wie PTB7: PCBM keinen Nutzen zu zeigen scheinen. In P3HT scheint der Vorteil von einer Zunahme der Kristallinität der P3HT-Phase zu kommen, die durch eine Austreibung von PCBM-Molekülen aus diesen Domänen erzeugt wird. Dies wurde durch Studien der PCBM-Mischbarkeit in P3HT sowie Änderungen der Domänenzusammensetzung als eine Funktion der Glühzeiten gezeigt.

Die obige Hypothese, die auf der Mischbarkeit basiert, erklärt die Effizienz der Vorrichtungen nicht vollständig, da nur reine amorphe Phasen von entweder Donor- oder Akzeptormaterialien niemals innerhalb von Massen-Heteroübergangsvorrichtungen existieren. Eine Veröffentlichung von 2010 schlug vor, dass aktuelle Modelle, die reine Phasen und diskrete Grenzflächen annehmen, fehlschlagen könnten, wenn keine reinen amorphen Bereiche vorhanden sind. Da aktuelle Modelle eine Phasentrennung an Grenzflächen ohne Berücksichtigung der Phasenreinheit annehmen, müssen die Modelle möglicherweise geändert werden.

Der thermische Glühvorgang variiert genau in Abhängigkeit von der Anwendung. Da die Migration vertikaler Moleküle teilweise durch die Oberflächenspannung zwischen der aktiven Schicht und entweder Luft oder einer anderen Schicht bestimmt wird, beeinflusst das Tempern vor oder nach der Abscheidung zusätzlicher Schichten (meistens der Metallkathode) das Ergebnis. Im Falle von P3HT: PCBM-Solarzellen wird die vertikale Migration verbessert, wenn Zellen nach dem Abscheiden der Metallkathode geglüht werden.

Eine Ansammlung von Donor oder Akzeptor neben den benachbarten Schichten könnte vorteilhaft sein, da diese Anhäufungen zu Loch- oder Elektronenblockierungseffekten führen können, die der Leistungsfähigkeit des Bauelements zugute kommen könnten. Im Jahr 2009 wurde gezeigt, dass der Unterschied in der vertikalen Verteilung von P3HT: PCBM-Solarzellen zu Problemen mit der Elektronenmobilität führt, was zu sehr schlechten Gerätewirkungsgraden führt. Einfache Änderungen an der Gerätearchitektur – Rotationsbeschichten einer dünnen Schicht PCBM auf dem P3HT – verbessern die Reproduzierbarkeit der Zellen erheblich, indem sie eine reproduzierbare vertikale Trennung zwischen den Komponenten des Geräts ermöglichen. Da ein höherer Kontakt zwischen der PCBM und der Kathode für bessere Effizienzen erforderlich ist, erhöht dies weitgehend die Reproduzierbarkeit der Vorrichtung.

Gemäß der Neutronenstreuungsanalyse wurden P3HT: PCBM-Mischungen als „Flüsse“ (P3HT-Regionen) beschrieben, die durch „Ströme“ (PCBM-Regionen) unterbrochen sind.

Lösungsmitteleffekte
Die Bedingungen für das Schleuderbeschichten und die Verdampfung beeinflussen die Geräteeffizienz. Lösungsmittel und Additive beeinflussen die Donor-Akzeptor-Morphologie. Additive verlangsamen die Verdampfung und führen zu kristallineren Polymeren und damit zu verbesserten Lochleitfähigkeiten und -effizienzen. Typische Additive umfassen 1,8-Octandithiol, Orthodichlorbenzol, 1,8-Diiodoctan (DIO) und Nitrobenzol. Der DIO-Effekt wurde der selektiven Solubilisierung von PCBM-Komponenten zugeschrieben, modifiziert grundlegend die durchschnittliche Sprungdistanz von Elektronen und verbessert somit die Elektronenmobilität.Additive können auch zu großen Effizienzsteigerungen für Polymere führen. Bei HXS-1 / PCBM-Solarzellen korrelierte der Effekt mit der Ladungserzeugung, dem Transport und der Lagerstabilität.Andere Polymere wie PTTBO profitieren ebenfalls signifikant von DIO, wobei PCE-Werte von mehr als 5% von ungefähr 3,7% ohne das Additiv erreicht werden.

Polymersolarzellen, die aus Chlornaphthalin (CN) als Co-Solvens hergestellt werden, weisen eine höhere Effizienz auf als solche, die aus der herkömmlicheren reinen Chlorbenzollösung hergestellt werden. Dies liegt daran, dass sich die Donor-Akzeptor-Morphologie ändert, was die Phasentrennung zwischen Donorpolymer und Fulleren verringert. Dies führt zu hohen Lochmobilitäten. Ohne Cosolventien bilden sich große Fulleren-Domänen, wodurch die photovoltaische Leistung der Zelle aufgrund der Polymeraggregation in Lösung abnimmt. Diese Morphologie stammt von der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung während des Trocknens; Auflösen der Verdampfung bewirkt, dass die Mischung in den spinodalen Bereich eintritt, in dem signifikante thermische Fluktuationen auftreten. Große Domänen verhindern, dass Elektronen effizient gesammelt werden (abnehmende PCE).

Kleine Unterschiede in der Polymerstruktur können auch zu signifikanten Veränderungen der Kristallpackung führen, die sich unweigerlich auf die Bauelementmorphologie auswirken. PCPDTBT unterscheidet sich von PSBTBT durch den Unterschied der Brückenatome zwischen den beiden Polymeren (C vs. Si), was bedeutet, dass mit PCPDTBT: PCBM Solarzellen, die Additive enthalten, bessere Morphologien erzielt werden können als mit dem Si System, das gute Morphologien ohne Hilfe erzielt zusätzliche Substanzen.

Selbstorganisierte Zellen
Die supramolekulare Chemie wurde unter Verwendung von Donor- und Akzeptormolekülen untersucht, die sich beim Schleuderguss und Erhitzen zusammenfügen. Die meisten supramolekularen Anordnungen verwenden kleine Moleküle. Donor- und Akzeptor-Domänen in einer röhrenförmigen Struktur erscheinen ideal für organische Solarzellen.

Diblock-Polymere, die Fulleren enthalten, ergeben stabile organische Solarzellen nach dem thermischen Tempern. Solarzellen mit vordefinierten Morphologien wurden erhalten, wenn geeignete supramolekulare Wechselwirkungen eingeführt wurden.

Fortschritte bei BCPs, die Polythiophenderivate enthalten, ergeben Solarzellen, die sich zu gut definierten Netzwerken zusammenfügen. Dieses System weist eine PCE von 2,04% auf.Wasserstoffbrücken leiten die Morphologie.

Die Vorrichtungseffizienz, die auf Co-Polymer-Ansätzen basiert, muss die 2% -Barriere noch überwinden, wohingegen Masse-Heteroübergangs-Vorrichtungen Effizienzen & gt; 7% in Einzelübergangskonfigurationen zeigen.

Mit Fulleren aufgepfropfte Stab-Spulen-Blockcopolymere wurden verwendet, um die Domänenorganisation zu untersuchen.

Supramolekulare Ansätze für organische Solarzellen liefern Erkenntnisse über die makromolekularen Kräfte, die die Domänentrennung vorantreiben.

Infrarot-Polymerzellen
Infrarotzellen absorbieren vorzugsweise Licht im Infrarotbereich und nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Ab 2012 können solche Zellen für sichtbares Licht zu fast 70% transparent gemacht werden. Die Zellen können angeblich in großem Volumen bei niedrigen Kosten unter Verwendung einer Lösungsverarbeitung hergestellt werden. Infrarot-Polymerzellen können als Zusatzkomponenten für tragbare Elektronik, intelligente Fenster und gebäudeintegrierte Photovoltaik verwendet werden. Die Zellen verwenden Silber-Nanodraht / Titandioxid-Verbundfolien als obere Elektrode und ersetzen herkömmliche opake Metallelektroden. Mit dieser Kombination wurde eine 4% ige Leistungsumwandlungseffizienz erreicht.

Leistungsumwandlungseffizienz
Eines der Hauptprobleme bei Polymer-Solarzellen ist die geringe Leistungskonversionseffizienz (PCE) von gefertigten Zellen. Um als wirtschaftlich rentabel betrachtet zu werden, müssen PSCs in der Lage sein, eine Effizienz von mindestens 10-15% zu erreichen – dies ist bereits viel niedriger als bei anorganischen PVs. Aufgrund der niedrigen Kosten von Polymersolarzellen ist jedoch eine Effizienz von 10-15% kommerziell möglich.

PCE (& eegr;) ist proportional zu dem Produkt des Kurzschlussstroms (JSC), der Leerlaufspannung (VOC) und des Füllfaktors (FF).

Wo Pin die einfallende Sonnenenergie ist. Jüngste Fortschritte in der Leistungsfähigkeit von Polymersolarzellen ergaben sich aus der Komprimierung der Bandlücke, um den Kurzschlussstrom zu erhöhen, während das höchst besetzte Molekülorbital (HOMO) verringert wurde, um die Leerlaufspannung zu erhöhen. PSCs leiden jedoch immer noch unter niedrigen Füllfaktoren (typischerweise unter 70%). Seit 2013 sind Forscher jedoch in der Lage, PSCs mit Füllfaktoren von über 75% herzustellen. Wissenschaftler konnten dies über ein invertiertes BHJ und unter Verwendung nichtkonventioneller Donor / Akzeptor-Kombinationen erreichen.

Vermarktung
Polymersolarzellen müssen noch kommerziell mit Silizium-Solarzellen und anderen Dünnschichtzellen konkurrieren. Die derzeitige Effizienz von Polymersolarzellen liegt nahe bei 10%, also deutlich unterhalb von Siliziumzellen. Polymer-Solarzellen leiden auch unter Umweltdegradation, da sie keine wirksamen Schutzschichten aufweisen.

Weitere Verbesserungen der Leistung sind erforderlich, um die Ladungsträgerdiffusion zu fördern;der Transport muss durch Kontrolle der Ordnung und Morphologie verbessert werden; und Schnittstellen-Engineering muss auf das Problem der Ladungsübertragung über Schnittstellen hinweg angewendet werden.

Es wird geforscht, Tandem-Architektur zu verwenden, um die Effizienz von Polymer-Solarzellen zu steigern. Ähnlich wie bei der anorganischen Tandemarchitektur wird von einer organischen Tandemarchitektur erwartet, dass sie die Effizienz erhöht. Verglichen mit einer Single-Junction-Vorrichtung, die Materialien mit niedriger Bandlücke verwendet, kann die Tandemstruktur den Wärmeverlust während der Photon-zu-Elektron-Umwandlung reduzieren.

Polymersolarzellen werden nicht in großem Umfang kommerziell hergestellt. Ab 2008 begann Konarka Technologies mit der Produktion von Polymer-Fulleren-Solarzellen. Die anfänglichen Module waren 3-5% effizient und hielten nur für ein paar Jahre. Konarka hat inzwischen Insolvenz angemeldet, da diese Polymer-Solarzellen den PV-Markt nicht durchdringen konnten.

Modellierung von organischen Solarzellen
Wie oben diskutiert, sind organische Halbleiter stark ungeordnete Materialien ohne Fernordnung.Dies bedeutet, dass die Leitungsband- und Valenzbandkanten nicht gut definiert sind. Darüber hinaus erzeugt diese physikalische und energetische Störung Fallenzustände, in denen photogenerierte Elektronen und Löcher eingeschlossen werden können und schließlich rekombinieren können.

Der Schlüssel zum genauen Beschreiben von organischen Solarzellen in einem Gerätemodell ist das Einschließen von Ladungsträgern und die Rekombination über Fallenzustände. Ein üblicherweise verwendeter Ansatz besteht darin, ein effektives Mediummodell zu verwenden, bei dem nach Standard-Driftdiffusionsgleichungen der Transport über das Gerät hinweg beschrieben wird. Dann wird ein exponentieller Schwanz von Fallenzuständen eingeführt, der von den Beweglichkeitskanten in die Bandlücke zerfällt. Um das Erfassen / Entkommen aus diesen Fallenzuständen zu beschreiben, kann die Shockley-Read-Hall (SRH) verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass der Shockley-Read-Hall-Mechanismus das Polymer: Fulleren-Bauelementverhalten sowohl im Zeitbereich als auch im stationären Zustand reproduzieren kann.

Aktuelle Herausforderungen und jüngste Fortschritte
Zu den Schwierigkeiten im Zusammenhang mit organischen photovoltaischen Zellen gehört ihre geringe externe Quanteneffizienz (bis zu 70%) im Vergleich zu anorganischen photovoltaischen Vorrichtungen, obwohl sie eine gute interne Quanteneffizienz aufweisen; dies ist auf eine unzureichende Absorption mit aktiven Schichten in der Größenordnung von 100 Nanometern zurückzuführen. Instabilitäten gegen Oxidation und Reduktion, Rekristallisation und Temperaturschwankungen können ebenfalls zu einer Verschlechterung der Vorrichtung und einer verringerten Leistung im Laufe der Zeit führen. Dies tritt in unterschiedlichem Ausmaß für Geräte mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf und ist ein Bereich, in dem aktive Forschung stattfindet.

Andere wichtige Faktoren umfassen die Exzitonendiffusionslänge, Ladungstrennung und Ladungssammlung, die durch das Vorhandensein von Verunreinigungen beeinflusst werden.

Ladungsträgermobilität und -transport
Insbesondere für Bulk-Heterojunction-Solarzellen ist das Verständnis des Ladungsträgertransports von entscheidender Bedeutung, um die Effizienz der organischen Photovoltaik zu verbessern.Derzeit weisen Bulk-Heterojunction-Vorrichtungen eine unausgeglichene Ladungsträgermobilität auf, wobei die Lochmobilität mindestens eine Größenordnung niedriger als die der Elektronenmobilität ist;dies führt zu einem Aufbau der Raumladung und zu einer Verringerung des Füllfaktors und der Leistungskonversationseffizienz einer Vorrichtung. Wegen der geringen Mobilität muss eine effiziente Bulk-Heterojunction-Photovoltaik mit dünnen aktiven Schichten entworfen werden, um eine Rekombination der Ladungsträger zu vermeiden, was der Absorption und Skalierbarkeit in der Verarbeitung abträglich ist. Simulationen haben gezeigt, dass, um eine Bulk-Heterojunction-Solarzelle mit einem Füllfaktor über 0,8 und einer externen Quanteneffizienz über 90% zu haben, eine ausgewogene Ladungsträgerbeweglichkeit benötigt wird, um einen Raumladungseffekt sowie eine Zunahme des Ladungsträgers zu reduzieren Mobilität und / oder eine Abnahme der bimolekularen Rekombinationsgeschwindigkeitskonstante.

Effekt der Filmmorphologie
Wie oben beschrieben, weisen dispergierte Heteroübergänge von Donor-Akzeptor-organischen Materialien im Vergleich zu dem planaren Heteroübergang hohe Quanteneffizienzen auf, da es in verteilten Heteroübergängen wahrscheinlicher ist, dass ein Exziton innerhalb seiner Diffusionslänge eine Grenzfläche findet. Die Filmmorphologie kann sich auch drastisch auf die Quanteneffizienz des Bauelements auswirken. Raue Oberflächen und das Vorhandensein von Hohlräumen können den Reihenwiderstand und auch die Möglichkeit eines Kurzschlusses erhöhen. Die Filmmorphologie und folglich die Quantenausbeute können verbessert werden, indem eine Vorrichtung nach dem Bedecken mit einer etwa 1000 Å dicken Metallkathode getempert wird. Ein Metallfilm auf dem organischen Film übt Spannungen auf den organischen Film aus, was dazu beiträgt, die morphologische Relaxation in dem organischen Film zu verhindern. Dies ergibt dichter gepackte Filme und ermöglicht gleichzeitig die Bildung einer phasengetrennten interpenetrierenden Donor-Akzeptor-Grenzfläche innerhalb der Masse des organischen Dünnfilms.

Kontrollierte Wachstumsheterojunction
Die Ladungstrennung findet an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche statt. Während sich die Ladung zur Elektrode bewegt, kann eine Ladung in einem ungeordneten interpenetrierenden organischen Material eingeschlossen und / oder rekombinieren, was zu einer verminderten Geräteeffizienz führt.Kontrolliertes Wachstum des Heteroübergangs liefert eine bessere Kontrolle über die Positionen der Donator-Akzeptor-Materialien, was zu einer viel größeren Leistungseffizienz (Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung) als die von planaren und stark orientierten Heteroübergängen (wie in gezeigt) führt. Daher ist die Wahl geeigneter Verarbeitungsparameter zur besseren Steuerung der Struktur und der Filmmorphologie sehr wünschenswert.

Fortschritt in den Wachstumstechniken
Meistens werden organische Filme für photovoltaische Anwendungen durch Schleuderbeschichtung und Dampfphasenabscheidung abgeschieden. Jedes Verfahren hat jedoch gewisse Nachteile, die Schleuderbeschichtungstechnik kann größere Oberflächenbereiche mit hoher Geschwindigkeit beschichten, aber die Verwendung von Lösungsmittel für eine Schicht kann die bereits vorhandene Polymerschicht abbauen. Ein anderes Problem bezieht sich auf die Strukturierung des Substrats für die Vorrichtung, da das Schleuderbeschichten beim Beschichten des gesamten Substrats mit einem einzigen Material resultiert.

Vakuum-thermische Verdampfung
Eine andere Ablagerungstechnik ist die Vakuumwärmeverdampfung (VTE), bei der ein organisches Material im Vakuum erhitzt wird. Das Substrat wird einige Zentimeter von der Quelle entfernt platziert, so dass verdampftes Material direkt auf dem Substrat abgeschieden werden kann, wie in gezeigt. Diese Methode ist nützlich für die Abscheidung vieler Schichten unterschiedlicher Materialien ohne chemische Wechselwirkung zwischen verschiedenen Schichten. Manchmal gibt es jedoch Probleme mit der Einheitlichkeit der Filmdicke und der gleichförmigen Dotierung über großflächigen Substraten. Zusätzlich können die Materialien, die sich an der Wand der Kammer ablagern, spätere Ablagerungen kontaminieren. Diese „Sichtlinien“ -Technik kann auch Löcher in dem Film aufgrund von Abschattung erzeugen, was zu einer Zunahme des Serienwiderstandes und des Kurzschlusses der Vorrichtung führt.

Organische Dampfphasenabscheidung
Die organische Dampfphasenabscheidung (OVPD) ermöglicht eine bessere Kontrolle der Struktur und Morphologie des Films als die Vakuum-Wärmeverdampfung. Das Verfahren beinhaltet das Verdampfen des organischen Materials über ein Substrat in Gegenwart eines inerten Trägergases.Die resultierende Filmmorphologie kann durch Ändern der Gasflussrate und der Quellentemperatur eingestellt werden. Durch Verringern des Trägergasdruckes, der die Geschwindigkeit und die mittlere freie Weglänge des Gases erhöht, können einheitliche Filme gezüchtet werden, wodurch die Dicke der Grenzschicht abnimmt. Zellen, die durch OVPD hergestellt werden, haben keine Probleme im Zusammenhang mit Kontaminationen von den Flocken, die aus den Wänden der Kammer kommen, da die Wände warm sind und es Molekülen nicht erlauben, an ihnen zu haften und einen Film darauf zu erzeugen.

Ein weiterer Vorteil gegenüber VTE ist die Gleichmäßigkeit der Verdampfungsrate. Dies tritt auf, weil das Trägergas mit den Dämpfen des organischen Materials, das aus der Quelle kommt, gesättigt wird und sich dann auf das gekühlte Substrat zu bewegt, 6 (b). In Abhängigkeit von den Wachstumsparametern (Temperatur der Quelle, Basisdruck und Fluss des Trägergases) kann der abgeschiedene Film kristallin oder amorph sein. Mit OVPD hergestellte Bauelemente weisen eine höhere Kurzschlussstromdichte auf als Bauelemente, die mit VTE hergestellt werden. Eine zusätzliche Schicht eines Donor-Akzeptor-Heteroübergangs am oberen Ende der Zelle kann Exzitonen blockieren, während die Leitung von Elektronen ermöglicht wird; was zu einer verbesserten Zelleneffizienz führt.

Organische Solartinte
Organische Solarzelle ist im Vergleich zu Solarzellen aus amorphem Silizium in der Lage, eine höhere Leistung bei Fluoreszenzlichtbedingungen zu liefern, und weist verglichen mit der organischen Solartechnologie eine um 30% bis 40% höhere Leistungsdichte in Innenräumen auf.

Lichtfallen
Verschiedene Arten von Komponenten werden angewendet, um Lichteinfang (Light In-Coupling) -Effekte in dünnen organischen Solarzellen zu erhöhen. Neben der Flexibilität organischer Solarzellen können durch den Einsatz von flexiblen Elektroden und Substraten anstelle von ITO bzw. Glas voll flexible organische Solarzellen hergestellt werden. Durch diese Verwendung von flexiblen Substraten und Substraten werden einfachere Verfahren zur Bereitstellung von Lichteinfangeffekten für OPVs eingeführt, wie Polymerelektroden mit eingebetteten Streupartikeln, Nano-geprägte Polymerelektroden, gemusterte PET-Substrate und sogar für Flüssigkristallanzeigen (LCD) kommerzialisierter optischer Displayfilm. als Substrate. Es wird viel Forschung betrieben werden, um die Leistung von OPVs mit dem Vorteil der Verarbeitung leichter Lichtfallenstrukturen zu verbessern.

Verwendung in Tandem-Photovoltaik
Neuere Forschungen und Untersuchungen wurden durchgeführt, indem eine organische Solarzelle als oberste Zelle in einem Hybrid-Tandem-Solarzellenstapel verwendet wurde. Da organische Solarzellen eine höhere Bandlücke als herkömmliche anorganische Photovoltaik wie Silizium oder CIGS haben, können sie Photonen höherer Energie absorbieren, ohne einen Großteil der Energie aufgrund von Thermalisierung zu verlieren, und daher bei einer höheren Spannung arbeiten. Die Photonen mit niedrigerer Energie und Photonen mit höherer Energie, die nicht absorbiert sind, passieren die oberste organische Solarzelle und werden dann von der unteren anorganischen Zelle absorbiert. Organische Solarzellen sind auch in Lösung lösbar bei niedrigen Temperaturen mit niedrigen Kosten von 10 Dollar pro Quadratmeter, was zu einer bedruckbaren oberen Zelle führt, die die Gesamtwirksamkeit bestehender anorganischer Solarzellen-Technologien verbessert. Es wurde viel geforscht, um die Bildung eines solchen hybriden Tandemsolarzellenstapels zu ermöglichen, einschließlich der Forschung in der Abscheidung von semitransparenten Elektroden, die einen niedrigen Kontaktwiderstand bei hoher Transparenz beibehalten.