Mikroskopische Inhomogenitäten in organischen Solarzellen durch PEDOT:PSS

Organische Halbleiter spielen in der modernen Technologie und Gesellschaft eine wichtige Rolle. Ihre relativ einfache und kostengünstige Prozessierbarkeit und flexibles Moleküldesign, passend zu den physikalischen Anforderungen, machen sie höchst attraktiv. Einige Realisierungen, wie z.B. in Mobiltelefondisplays sind bereits auf dem Markt. Allerdings hat organische Elektronik, insbesondere die Photovoltaiksparte noch immer mit Problemen zu kämpfen bevor eine zuverlässige großflächige Anwendung möglich ist. Ein Problem ist der erhebliche Unterschied zwischen Bauteil-Chargen oder einzelnen Bauteilen. Es wurde bereits gezeigt, dass Sätze von Solarzellen, von einer Person identisch gebaut bis zu 10% in Leistung variieren können, entsprechend so auch die Werte in der Literatur. Bei mikroskopischen Untersuchungen der Funktion von organischen Solarzellen zeigten sich erhebliche lokale Unterschiede. Da photoaktive Schichten in diesen Bauteilen mittlerweile standardmäßig zu nanoskopischer Perfektion gebracht werden, wird für diese mikroskaligen Differenzen eine andere Ursache vermutet: Ladungs-selektive Zwischenschichten, wie PEDOT:PSS. Allerdings fehlt es momentan noch an Verständnis der mikroskopischen physikalischen Vorgänge durch PEDOT:PSS in diesen Bauteilen. Das vorgeschlagene Projekt wird sich der Untersuchung der fundamentalen physikalischen Vorgänge von Dioden an PEDOT:PSS generierten Inhomogenitäten widmen. In Dünnfilmdioden haben kleinste lokale Varianzen wesentliche Auswirkungen auf das lokale physikalische Verhalten und so für das Gesamtbauteil. Die geplanten Untersuchungen reichen von kleinen Effekten, wie lokalen Filmhöhenunterschieden, hin zu weit kniffligeren Fragen, wie Effekten von PEDOT:PSS Partikeln gefangen in der photoaktiven Schicht oder dem Einfluß der unterliegenden Indiumzinnoxidschicht durch PEDOT:PSS Porösität. Experimentell soll dies durch eine systematische Studie des lokalen Diodenverhaltens und seiner Korrelation zu PEDOT:PSS verursachten Inhomogenitäten. Dabei wird jeder Messpunkt als einzelne Mikrodiode behandelt. Diese werden insbesondere hinsichtlich Ladungsfallen und Transportverhalten an den Grenzflächen zwischen PEDOT:PSS/ITO und PEDOT:PSS/aktivschicht analysiert. Am Ende sollte ein Set von Diodencharakteristiken für bestimmte PEDOT:PSS-verursachte Inhomogenitäten zur Verfügung stehen. Die Wiederzusammensetzung dieser Untereinheiten zu einem 2D-Netzwerk von parallel-vernetzten Mikrodioden sollte ermöglichen Schlüsse auf den Ursprung der makroskopischen ganzen Diode zu ziehen. Ausserdem können damit Voraussagen getroffen werden, wie das Verhalten einer Solarzelle mit der Dichte entsprechender charakteristischer Inhomogenitäten verbunden mit der PEDOT:PSS Schicht variieren wird. Die erwarteten neuen Erkenntnisse durch dieses Projekt werden nicht nur zum Verständnis des Bauteilverhaltens mit PEDOT:PSS Schichten beitragen sondern auch anderer in Zukunft eingesetzter kolloidaler Systeme, wie Graphen und Nanodrähten.

Organische Halbleiter auf Basis konjugierter Moleküle und Polymere, spielen in der modernen Technologie eine wichtige Rolle, z.B. in OLED-basierten Mobiltelefon- oder TV-Displays. Ihre einfache Verarbeitung und flexibles Moleküldesign, machen sie auch attraktiv für Sensoren und Solarzellen. Allerdings haben organische Solarzellen noch einige Defizite, bevor eine konkurrenzfähige großflächige Anwendung möglich wird, wie Chargen-Unterschiede, Inhomogenität der photoaktiven Fläche und die mangelnde Stabilität gegen Umwelteinflüsse. In diesem Projekt haben wir uns den Ursachen von Leistungsinhomogenität von organischen Solarzellen gewidmet, unter der Berücksichtigung des Einflusses einer bestimmten Bauteil-Komponente: der Loch- Leiter-Schicht (LLS). Dies ist eine unverzichtbare Hilfsschicht, eingebaut zwischen der transparenten Front-Elektrode und dem Halbleiter. Lange nutzte man dafür das Material PEDOT:PSS, trotz seiner vermuteten schlechten Auswirkungen auf die Bauteilstabilität, aufgrund von ungleichmäßigen Partikelfilmen und korrosiven Eigenschaften der Säure PSS. Wir haben verschiedene partikelförmige oder gleichförmige LLS aus PEDOT:PSS oder Molybdänoxid in Solarzellen getestet. Es wurden Landkarten des erzeugten Stroms über die gesamte Oberfläche erstellt und das lokale physikalische und chemische Verhalten untersucht, um so auf Art und Verteilung von Defizit/Schadstellen und ihre Auswirkungen auf die Gesamtleistung Rückschlüsse ziehen zu können. Anders als erwartet, wurde festgestellt, dass weder die Partikelgröße oder -verteilung, noch das Material oder die Schichtdicke Einfluß auf die Bauteilhomogenität und Leistung hatten, solang die Bauteile direkt nach der Herstellung gemessen wurden. Setzte man die LLS aber während der Bauteil- Produktion für kurze Zeit Umweltbedingungen aus, so trat nur bei hoher Luftfeuchtigkeit und nur für PEDOT:PSS lokaler Leistungsverlust auf. Dieser konnte aber klar der partiellen Ablösung der Schicht von der Elektrode durch feuchtigkeitsbedingte Schwellung/Schrumpfung zugeschrieben werden, anders als die meist vermutete Zersetzung des Halbleiters oder der Elektrode. Punktuelle Defekte, die oft PEDOT:PSS zugeschrieben wurden, traten dagegen in LLS-freien Solarzellen nach Feuchtigkeitskontakt auf, entstanden durch Wachstum isolierender Oxid-Inseln unter der Aluminiumrückelektrode. Diese neuen Erkenntnisse zeigen, dass die LLS, selbst PEDOT:PSS, oft nicht für Leistungsinhomogenität verantwortlich ist und stabiler als eigentlich gedacht.