Photophysik und Ladungstransport in Hybrid Kompositen aus P3AT u. SiC Nanokristallen

Hybridsolarzellen, deren Photoaktivschicht besteht aus einem organischen Halbleiter als Donor und einem anorganischen Halbleiter als Akzeptor, haben für preiswertere Photovoltaik an Interesse gewonnen. Sie vereinen zwei sehr unterschiedliche Halbleitermaterialien: Anorganische Halbleiter, traditionell in hocheffizienten Solarzellen (z.B. Si oder GaAs), haben hohe Exzitondissoziations- und Ladungsträgergenerationraten mit exzellenter Ladungsträgermobilität. Organische Halbleiter dagegen sind lösungsprozessierbar, haben hohe Absorptionkoeffizienten,bieten Freiheit die Material zu den optischen und elektrischen Anforderungen zu synthetisieren. Beide Systeme haben auch Nachteile. Die anorganischen haben hohe Produktionskosten für Einkristalle, die organischen kurzreichweitige Frenkelexzitonen und limitierte Ladungsmobilität. Hybridphotovoltaik nutzt die Vorteile beider, in einer Kompositstruktur aus organischem und anorganischem Halbleiter. Prominenteste Beispiele sind Cadmiumchalcogenide oder Halbleiteroxide mit grosser Bandlücke, gemischt oder infiltriert mit konjugiertem polymer. In diesem Projekt wollen wir ein System untersuchen, welches einen nicht-oxidischen anorganischen Halbleiter mit grosser Bandlücke, nämlich 3C-SiC (kubisches oder beta Siliziumkarbid) als Akzeptor in einer organischen Poly(3-alkylthiophene) (P3AT) Donormatrix. SiC als Akzeptor in Hybridzellen wurde bisher vernachlässigt, vermutlich wegenseiner indirekten Bandlücke und fehlender Absorptionsbeiträge im Sichtbaren, ausserdem teurer Herstellung von Nanokristallinem Material. Trotzdem, seine Bandenergien passen zu denen der organischen Donor HOMO/LUMOs, vielversprechender Ausblick für seine Funktionalität in Hybridphotovoltaik. Ausserdem zeigen unsere ersten vorläufigen Pikosekunden-Laserspektroskopie-Ergebnisse an P3HT:SiC kompositfilmen tatsächlich eine potentielle Ladungstransferstate-Emission, ein Indicator für ein funktionelles Donor/Akzeptor System. Ziel des vorliegenden Projekts ist das Erlangen von Wissen über die Photophysik, Ladungsträgergeneration und Transportprozesse in diesem kaum untersuchten D/A System. Statische und zeitaufgelöste schnelle optische Spektroskopie werden benutzt für die Analyse von Anregungs-, Dissoziations-, Energietransfer-, Ladungstransfer- und Rekombinationsprozessen in P3AT:3C-SiC. Daswird auch korreliert mit dem Anpassen der Grenzflächen und Kompositmorphologie. Schliesslich werden Ladungsträgergeneration, -transport und fallen mittels Photodioden mit P3AT:3C-SiC Aktivschicht mit statischen Stromspannungsmessungen und zeitaufgelösten Photostrommessungen studiert. Auch der potentielle Einfluss von n- oder p- Dotierung von 3C-SiC auf diese Prozesse ist Teil des Projekts.

In der sogenannten Hybrid-Photovoltaik besteht die photoaktive Donor/Akzeptor Schicht einer Solarzelle oder eines Photodetektors nicht klassisch nur einem anorganischen Halbleiter mit zwei Zonen unterschiedlicher Dotierung, sondern aus einer Matrix, bestehend aus einem nanokristallinen anorganischen Halbleiter, fein verteilt in einer organischen Halbleiterschicht. Organische Halbleiter, bekannt von OLED TV-Displays, sind biegbar und einfach zu verarbeiten, z.B. durch aufdrucken. Anorganische Halbleiter hingegen zeigen bessere elektronische Eigenschaften, sind aber bruchempfindlich und teuer. In der Hybrid-PV nutzt man die Vorteile Beider. Nur leider hat diese Technologie auch Ihre Tücken. Dadurch dass der anorganische Halbleiter statt als ein durchgängiger Kristall in Form von vielen Nanokristallen verarbeitet wird, gibt es hier Verluste durch Charge-Trapping an den Phasengrenzen, hauptsächlich durch Oberflächendefekte der Kristallite und Inkompatibilität zwischen organischer und anorganischer Komponente. Diese limitieren die Effizienz der Bauteile. Im vorliegenden Projekt, wurden erstmals dotierte Siliziumkarbid (SiC) Nanokristalle in der Rolle als anorganischer Akzeptor in Hybridsolarzellen untersucht. Dazu wurden verschiedene n- und p-dotierte nanokristalline SiC Pulver chemisch synthetisiert und jeweils in einer Matrix mit einem organischen Halbleiter auf seine photophysikalischen und Bauteil-physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Es wurde herausgefunden, dass mit unserer Präparationsmethode für Siliziumkarbid über karbothermische Reduktion von Sol-Gel-Siliziumoxykarbidgläsern, das nasschemisch eingebrachte Dotieratom hierbei nicht nur die Defect States des Halbleiters beeinflußt, sondern zusätzlich die Polytyp-Zusammensetzung und Oberflächen-Terminierung. Letzteres ist eine enorm wichtige Erkenntnis, denn Siliziumkarbid ist bei der Herstellung üblicherweise Oxid-terminiert, damit elektrisch isolierend, was für die Anwendung in der Elektronik Nachbehandlungen notwendig macht. In unserem Fall war es möglich direkt Wasserstoff/Graphen terminiertes SiC zu erzeugen. Dieses erwies sich als sehr vorteilhaft für das Phasengrenzen-Verhalten in Solarzellen. Beim Vergleich von SiC:N, SiC:Al und SiC:Ga auf das photovoltaische Verhalten in Hybrid-Matrizen mit dem Halbleiter-Polymer P3HT, zeigten Graphen-terminierte Spezies effizienteren photo-induzierten Charge-Transfer und reduzierte Trapping-Verluste. Gründe sind die bessere Kompatibilität des Polymers mit der Kohlenstoff-Oberfläche und die Deaktivierung der SiC Dangling Bonds durch den Wasserstoff. Oxid-terminierte SiC Spezies zeigten dagegen die üblichen Probleme, es sei denn sie wurden mit Fullerenen in tertiären Mischungen als Co-Akzeptor eingesetzt, wo das Fulleren sich vorzugsweise an den SiC Kristalliten anlagert. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich Siliziumkarbid für Hybrid-PV eignet und mit entsprechendem Interface-Engineering die hybrid-PV-typischen Verluste reduziert werden können.