Chirvase, Dana (2004) Electrical characterization of organic devices: case study: polythiophene-fullerene based solar cells. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Polymer based solar cells were fabricated by using Poly(3-hexylthiophene-2.5diyl)(P3HT) as a donor, combined with the fullerene derivative [6,6]-phenyl -C61 butyric acid methyl ester, (PCBM) as an acceptor, in a bulk heterojunction structure. Electrical and optical properties of these organic devices were studied together with the dependence of current-voltage characteristics on temperature and illumination intensity. The increase of the short circuit current density with temperature is evidence of a thermally activated transport mechanism, characteristic to disordered materials. This result explains the specific feature of organic solar cells to operate better in a warm climate, rather than at low temperatures, a totally different behaviour compared to conventional inorganic solar cells. The origin of open circuit voltage was investigated by varying the work function of the metallic electrode. From this experiment it was concluded that the open circuit voltage is very sensitive to the workfunction of metallic electrode. The hypothesis of Fermi level pinning of the workfunction of the metallic electrode to the LUMO level of the acceptor could not be confirmed in the case of P3HT:PCBM based solar cells. The thermal annealing applied to P3HT:PCBM based solar cells, was found to be a very effective method to increase the short current density, and therefore, the overall power conversion efficiency of the device. Morphology investigations (by using the Atomic Force Microscopy) for P3HT:PCBM based solar cells show the presence of large PCBM clusters (größer als 500nm) built as a result of thermal annealing. Based on AFM results, as well as on current density-voltage (J-V) curves and external quantum efficiency measurements, the amount of the PCBM acceptor was optimized in the blend to a P3HT:PCBM weight ratio between 1:0.9 and 1:1. The best P3HT:PCBM based solar cell was fabricated with a P3HT:PCBM weight ratio of 1:1 and gave the following results: Jsc= 6.4mA/cm2, Voc= 0.59V, FF = 63.2%, h = 2.4% at room temperature and a white light intensity of 100mW/cm2. Finally, it was shown that the electrical performance of P3HT:PCBM based solar cells can be considerably influenced by the quality of the organic material used for the fabrication.

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Es wurden Polymer-Solarzellen mit einer Bulk-Heteroverbindungsstruktur hergestellt, wobei P3HT als Donor und das Fullerenderivat PCBM als Akzeptor fungiert. Die elektrischen und optischen Eigenschaften dieser organischen Zellen wurden hauptsächlich über die Abhängigkeit ihrer Strom-Spannungs-Charakteristiken von Temperatur und Lichtintensität studiert. Die Zunahme der Kurzschlussstromdichte mit der Temperatur ist Beweis für einen thermisch aktivierten Transportmechanismus, der für ungeordnete Materialien charakteristisch ist. Dieses Ergebnis erklärt die hervorstechende Eigenschaft organischer Solarzellen in einem warmen Klima besser zu funktionieren, als bei tiefen Temperaturen. Konventionelle anorganische Solarzellen zeigen im Gegensatz dazu ein ganz anderes abweichendes Verhalten. Der Ursprung der Leerlaufspannung wurde durch Variation der Austrittsarbeit der Metallelektrode untersucht. Aus diesem Experiment konnte geschlossen werden, dass die Leerlaufspannung empfindlich von der Austrittsarbeit der verwendeten Metallelektrode abhängt. Die Hypothese des Fermi- Level- Pinnings der Austrittsarbeit der Metallelektrode an das Lumoniveau des Akzeptors hat sich im Falle der P3HT:PCBM Solarzellen nicht bestätigt. Die thermische Behandlung der P3HT:PCBM Solarzellen erwies sich als eine sehr effektive Methode zur Erhöhung der Kurzschlussstromdichte und damit auch als sehr wirkungsvoll zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Zelle. Untersuchungen der Morphologie der P3HT : PCBM Solarzellen mittels AFM zeigen die Präsenz sehr großer PCBM Cluster (größer als 500 nm) als ein Resultat der thermischen Behandlung. Basierend auf diesen Ergebnissen, den J - V- Kurven und Messungen der externen Quantenausbeute wurde der Anteil des PCBM Akzeptors in der P3HT : PCBM -Mischung auf ein Gewichtsverhältnis zwischen 1:0,9 und 1:1 optimiert. Die beste P3HT:PCBM Solarzelle die hergestellt wurde, hatte ein Gewichtsverhältnis P3HT : PCBM von 1:1 und erzielte bei Raumtemperatur und einer Lichtintensität von 100 mW/cm2 die folgenden Ergebnisse: Jsc= 6.4mA/cm2, Voc= 0.59V, FF = 63.2%, h=2.4% bei Raumtemperatur und einer Lichtintensität von 100mW/cm2. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die elektrischen Eigenschaften von P3HT : PCBM Solarzellen wesentlich durch die Qualität des verwendeten organischen Materials beeinflusst werden.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	[Keine Schlagwörter von Autor/in vergeben.]
Controlled Keywords:	Organische Solarzelle, elektrische Eigenschaft
Subjects:	Science and mathematics > Physics
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science
Date Deposited:	17 Jan 2013 14:14
Last Modified:	09 Dec 2013 10:54
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/168
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-1987
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