Die steigende Nachfrage nach erneuerbarer elektrischer Energie erfordert neue photovoltaische Technologien. Effiziente organische Solarzellen mit gemischten, absorbierenden organischen Molekülen wandeln Sonnenlicht in Elektrizität um und die jüngsten Rekorde des Wirkungsgrads zeigen das Potenzial für eine alternative Energieerzeugung. Trotz dieser Durchbrüche führt die Verwendung komplexer organischer Moleküle, die zu einer selbstorganisierten Absorberschicht zusammengemischt werden, zu komplizierten Morphologien, die bisher nur unzureichend abgebildet werden konnten. Die Morphologie hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Umwandlung von Photonen in Elektronen und auf den Photostrom, was sich auf die Gesamtleistung der Solarzelle auswirkt.
Diese Dissertation ist eine Studie über die Morphologie organischer Dünnfilm-Mischschichten in verschiedenen organischen Solarzellen unter Verwendung analytischer Elektronenmikroskopietechniken (REM, TEM, EDX). In einem weiteren Schritt werden auch die Einflüsse der Mikrostruktureigenschaften dieser im Vakuum abgeschiedenen organischen Solarzellen auf ihre elektronischen Eigenschaften untersucht. Diese Studie umfasst bekannte Zinkphthalocyanin- (ZnPc) und Fulleren (C60) Mischschichten (ZnPc:C60) sowie neu entwickelte Materialien, DTDCTB und NGX gemischt mit C60. Auf mikroskopischer Skala wurde der Einfluss der Abscheidung der oben genannten Schichten auf unterschiedlich erhitzte Substrate, sowie deren Auswirkungen auf die elektronische Leistungsfähigkeit untersucht.
Es wurden drei sehr unterschiedliche Wachstumssysteme beobachtet:
• Filme mit guter Phasentrennung (ZnPc:C60)
• Gut gemischte dünne Schichten (DTDCTB:C60)
• Selbstorganisierende Nanodrähte (NGX:C60)
Um die gewachsene Mikrostruktur zu erklären werden thermodynamische Modelle zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse eingesetzt. Diese Arbeit bietet daher einen Rahmen, der die Planung zukünftiger Experimente leiten kann. Für die in dieser Arbeit untersuchten Schichtsysteme konnte die Korrelation zwischen den Präparationsbedingungen und der Leistungsfähigkeit der Solarzellen durch die beobachtete Mikrostruktur und die Phasenseparation von Donor und Akzeptor gut erklärt werden.:1 MOTIVATION AND INTRODUCTION 5
2 THEORETICAL FUNDAMENTALS
2.1 BASICS OF ORGANIC SOLAR CELLS
2.1.1 Organic semiconductors materials
2.1.2 Working principle of organic solar cells
2.1.3 Characteristic curves of solar cells
2.1.4 Concept of bulk heterojunction
2.1.5 Morphology and phase separation
2.2 RELEVANT LENGTH SCALES IN THE STUDY OF ORGANIC SOLAR CELLS
2.3 THE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE
2.3.1 Introduction and working principle
2.3.2 Interaction of primary electrons with sample
2.3.3 Detecting SE and BSE electrons
2.3.4 SEM tool with FIB
2.4 THE TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE
2.4.1 Working principle and components of TEM
2.4.2 Scattering in TEM
2.4.3 Operation modes in TEM
2.5 ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPY
2.5.1 EDX in TEM
2.5.2 EDX with high-tech detectors
2.6 CHALLENGES OF ELECTRON MICROSCOPY ON ORGANIC MATERIALS
2.6.1 Contrast formation and electron scattering
2.6.2 Damage induced by electron beam
2.6.3 Contrast formation and electron scattering
2.6.4 Necessity of low energy microscopy
3 MATERIALS AND METHODS
3.1 DONORS AND ACCEPTOR
3.1.1 The donor ZnPc
3.1.2 The donor DTDCTB
3.1.3 The donor NGX
3.1.1 The acceptor C60
3.2 FABRICATION OF ORGANIC SOLAR CELL DEVICES AND THIN FILMS
3.2.1 Vacuum deposition
3.2.2 Solar cell devices
3.2.3 Electrical Characterization
3.2.4 Organic thin films on the substrate
3.3 ELECTRON MICROSCOPES AND SAMPLE PREPARATION
3.3.1 Cross-sections using focused ion beam
3.3.2 Experimental details used in TEM/SEM
4 RESULTS AND DISCUSSIONS
4.1 ZNPC AS DONOR MATERIAL
4.1.1 Morphology of ZnPc:C60 thin films
4.1.2 Solar cell devices with ZnPc:C60 active layer
4.1.3 Conclusions and discussion
4.2 DTDCTB AS DONOR MATERIAL
4.2.1 Peculiar performance of the solar cell
4.2.2 Morphology of DTDCTB:C60 thin films
4.2.3 Solar cell devices with DTDCTB:C60 active layer
4.2.4 Conclusions and discussion
4.3 NGX AS DONOR MATERIAL
4.3.1 Morphology of NGX:C60 thin films
4.3.2 Conclusions and discussion
5 CONCLUSION AND OUTLOOK
6 APPENDIX
A1 NEAREST NEIGHBOR DISTANCE
A2 FROM DARK FIELD TEM IMAGES TO THE ELEMENTAL MAP
A3 COMPARING THE COMPOSITION OF DARK AND BRIGHT POINTS IN THE EDX-ELEMENTAL
A4 ROUGHNESS MEASUREMENTS FROM EDX IMAGES
A5 SPECTROSCOPY MEASUREMENTS ON DTDCTB:C60
7 LISTS
7.1 ABBREVIATIONS
1.: Acronyms
B2.: Materials
B3.: Symbols
7.2 LIST OF FIGURES
7.3 LIST OF TABLES
BIBLIOGRAPHY
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:78007 |
| Date | 11 February 2022 |
| Creators | Sedighi, Mona |
| Contributors | Zschech, Ehrenfried, Reineke, Sebastian, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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