Plasmonische Organische Solarzellen

Das multidisziplinäre Projekt "Plasmonische organische Solarzellen (PLASMOSOL)" umfasst die Gebiete Nanophotonik, Materialforschung und optoelektronische Bauelemente. Es konzentriert sich insbesondere auf die Erforschung plasmonischer Systeme zur Lichteinkoppelung zur Steigerung der Effizienz organischer Solarzellen. Dabei zielt es vor allem auf die Untersuchung neuer metallischer Nanostrukturen ab, welche einzigartige plasmonische Merkmale aufweisen und damit die Absorber der organischen Dünnschichtsolarzellen dahingehend verändern, sodass das einfallende Lichts über einen weiten Wellenlängen- sowie auch über einen erweiterten Einfallswinkelbereich absorbiert wird. Es vereint komplementäre Forschungsteams, wie jenes unter Leitung von Dr. Jakub Dostalek für Plasmonik sowie das Team "Materialien für die Photovoltaik-Technologien" unter Leitung von Dr. Theodoros Dimopoulos am Austrian Institute of Technology (AIT) mit der Forschungsgruppe rund um Ao.Univ.-Prof. Dr. Emil JW List der NanoTecCenter Weiz Forschungsgesellschaft (NTCW), welche im Bereich der organischen optoelektronischen Bauelemente tätig ist. Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung neuer plasmonischer Strukturen zur verbesserten Lichteinkopplung, die für eine breite Palette von organischen Solarzellen angewendet werden kann und eine Steigerung ihrer Effizienz auf über 10% ermöglichen soll. In der ersten Phase des Projektes werden zwei komplementäre Typen von plasmonischen Konzepten theoretisch und experimentell untersucht: A) Multi-diffraktive Elemente hergestellt mittels Nano-Imprint-Lithographie (NIL) und B) Arrays aus ZnO Nanodrähten beschichtet mit metallischen Nanopartikeln. In der zweiten Phase des Projekts wird C) eine Reihe von Modellbauelementen mit und ohne plasmonischen Strukturen entwickelt und vollständig charakterisiert, um deren Leistung und Eigenschaften mit den plasmonischen Strukturen zu korrelieren. Des Weiteren sollen die somit neu entwickelten plasmonischen organischen Solarzellen mit aktuellen State-of-the-Art Solarzellen vergleichen werden.

Das Projekt PLASMOSOL (PLASMonisch Organische SOLarzelle) setzte sich die Verbesserung der Effizienz von organischen Solarzellen durch optimierte Lichteinkopplung mittels Entwicklung von speziell auf dieses Vorhaben abgestimmten optischen Nanostrukturen als Ziel. Um die entwickelten Lösungsansätze auch für eine große Bandbreite der bereits verwendeten, auf organischen Materialien basierten, Solarzellen ausweiten zu können, wurde der Fokus im Besonderen auf generische Lösungskonzepte gelegt. Die Durchführung des Projektes erfolgte durch die Zusammenarbeit von zwei Forschungsgruppen welche am Austrian Institute of Technology und am NanoTecCenter Weiz Forschungsgesellschaft mbH (NTCW) bzw. nach der Eingliederung der NTCW am JR MATERIALS tätig sind. Ihre komplementären Expertisen aus den Bereichen Nanophotonik, Materialforschung und opto-elektronische-Bauelemente stellten dabei eine sinnvolle Ergänzung zur Entwicklung der angestrebten Lösungsansätze dar. In der ersten Projektphase erfolgte die Entwicklung und Simulation von periodischen, multidiffraktiven und plasmonisch aktiven Metallstrukturen, welche in einem breiten Wellenlängenbereich zu einem verbesserten Lichteinfang in Dünnschichtsystemen führen sollen. Diese Metallstrukturen sollen sowohl an der transparenten wie auch an der Metallelektrode aufgebracht werden. Um die Herstellung der Kleinststrukturen im Nanometerbereich über große Flächen im Zentimeterbereich zu ermöglichen wurden als Herstellungsmethoden die Laserinterferenzlithographie sowie die Nanoprägelithographie gewählt. Beide Herstellungsprozesse ermöglichten die Erstellung von Nanostruktur-Arrays bestehend aus metallischen Nanopartikeln sowie von periodischen Gitterstrukturen mit Gitterperioden im Nanometerbereich. Durch Anregung von Oberflächenplasmonen und verbesserte Lichteinkopplung in die photoaktive Schicht (P3HT:PCBM) der Solarzelle lassen die durchgeführten Simulationen unter Verwendung von P3HT:PCBM als photoaktive Schicht für entsprechend dimensionierteNanostrukturen eine Erhöhung der Lichtabsorption um mehr als 30% erwarten. In der zweiten Projektphase erfolgte die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellensystemen um die Auswirkungen der Implementierung dieser Nanostrukturen auf die Performance der Solarzellen experimentell zu untersuchen, sowie um einen Vergleich mit dem Stand der Technik entsprechenden Solarzellensystemen zu ermöglichen. Die Integrierung der Kleinststrukturen in die untersuchten normalen und invertierten Solarzellensysteme erfolgte mittels Nanoprägelithographie an der Grenzfläche zwischen photoaktiver Schicht sowie der Metallelektrode. Im Falle von normalen Solarzellen wurde Aluminium verwendet, während bei invertierten Zellen Silber als Metallelektrode eingesetzt wurde. Die Einbringung der Nanostrukturen in die Solarzellenstruktur führte in beiden Fällen zwar für spektral aufgelöste Untersuchungen der externen Quanteneffizienz (EQE) zu signifikanten Anstiegen in Wellenlängenbereichen außerhalb des Absorptionsbandes des verwendeten photoaktiven Materiales P3HT:PCBM, welche jedoch nicht zu einer Erhöhung des Kurzschlussstromes und in weiterer Folge zu einer Verbesserung der Effizienz der untersuchten Solarzellen über den gesamten spektralen Wellenlängenbereich betrachtet führten. Der beobachtete Kurzschlussstrom der strukturierten Solarzellen wird im Wesentlichen immer noch durch die Absorptions- bzw. Leistungskonversionscharakteristik des verwendeten photoaktiven Materiales bestimmt. Obwohl das eigentliche Projektziel der Leistungssteigerung von organischen Solarzellen damit nicht erreicht werden konnte, liefern die daraus gewonnen Erkenntnisse einen nützlichen Leitfaden für Design und Implementierung von Kleinststrukturen sowie einen verbesserten Einblick in die Mechanismen der Lichteinkopplung in Dünnschichtsystemen im Allgemeinen. Das Projekt ermöglichte die Durchführung von drei Dissertationen, die Veröffentlichung der erzielten Ergebnisse erfolgte in 2 bereits veröffentlichten Beiträgen in Peer-Review-Journalen (7 weitere Publikationen befinden sich zum Zeitpunkt der Erstellung des Endberichtes in Vorbereitung), des Weiteren 7 Vorträgen bei wissenschaftlichen Konferenzen sowie 2 Konferenz-Proceedings.