Organic solar cells are one of the most promising candidates for future solar power generation. They are thin and lightweight with several additional advantages such as scalability, environmental sustainability and low cost for processing and installation. However, the low charge carrier mobility of the absorbing material for organic solar cells requires thin absorber layers, limiting photon harvesting and the overall power conversion efficiency. Several attempts, e.g., periodically patterned structures and scattering layers have been tried to enhance the absorption of thin-film solar cells as light trapping elements. However, much effort is required to introduce light trapping structures to conventional rigid metal oxide electrodes and glass substrate. For instance, almost 13 hours are required to fabricate micro structures of 1 m2 area on glass, in contrast, 1 minute on PET using a same laser set-up and an additional scattering layers are demanded for providing light trapping effects to solar cells.
In the last years, flexibility is emerging as the one of the major advantages of organic solar cells. To realize flexibility of solar cells, the classically used glass substrates and ITO electrodes are too brittle. Therefore, polymer materials are promising candidates to replace them as flexible electrodes and substrates. In this thesis, the highly transparent conducting polymer, PEDOT:PSS and PET equipped with an AlOx encapsulation layer are used as electrode and substrate, respectively. Besides the flexibility, additional light trapping elements, e.g. scattering particles, nano- and microstructures can be easily applied to the polymer materials since they have the potential for easier shaping and processing.
In this study, we apply different light trapping and in-coupling approaches to organic solar cells. First, PET substrates are structured with a direct laser interference patterning system, which is a powerful and scalable one-step technique for patterning polymers. Almost 80 % of the light is diffracted by these patterned PET substrates and thereby the light path in the absorption layer is increased. Optical display films, commercially developed to be used as back light units of liquid crystal displays are also examined as light trapping substrates and exhibit similar enhancement as patterned PET.
Moreover, since PEDOT:PSS is prepared by a solution-based process, TiO2 nanoparticles are added as light scattering elements to the PEDOT:PSS electrodes. Consequently, those electrodes provide a dual function as electrical contact and light trapping element. Finally, 2- or 3-dimensional nanostructures are printed by a nano-imprinting technique onto the surface of PEDOT:PSS with PDMS stamps. By controlling the temperature and the time of PEDOT:PSS during an annealing step, nanostructures are transferred from PDMS masks to PEDOT:PSS.
To evaluate the effects of light trapping for all above mentioned approaches, flexible organic solar cells are produced by vacuum evaporation using blends of DCV5T-Me and C60 as absorber layer. The substrates are optically characterized using UV-vis spectrometer and goniometer measurements. The topography of the samples is measured by atomic force microscopy, scanning microscopy and optical microscopy. Bending tests with various radii are performed to test the flexibility of the substrates.
In summary, light trapping effects are successfully implemented in the electrodes and substrates for OPVs, giving efficiency improvements of up to 16 %. The light trapping mechanisms in our approaches are extensively discussed in this thesis. / Organische Photovoltaik ist einer der vielversprechendsten Kandidaten für die zukünftige Solarstromgewinnung auf flexiblen Substraten. Um diese Flexibilität zu ermöglichen, sind herkömliche Glassubstrate mit ITO-Elektroden zu spröde. Ein vielversprechender Kandidat, um sowohl flexible Elektroden als auch flexible Substrate herzustellen, sind Polymere, da diese sehr biegsam und leicht zu verarbeiten sind. Deshalb wird in dieser Arbeit das hoch transparente, leitfähige Polymer PEDOT:PSS als Elektrode und PET (mit einer AlOx Verkapselungsschicht) als Substrat untersucht. Aufgrund der guten Prozessierbarkeit der Polymere konnten wir zusätzlich zu den eigentlichen Funktionen des Substrates und der Elektrode noch den Mechanismus des Lichteinfangs hinzufügen.
Zusätzlich zu ihrer Flexibilität haben organische Solarzellen noch weitere Vorteile: sie sind dünn, leicht, skalierbar und verursachen vergleichsweise geringe Kosten für Herstellung und Installation. Ein Nachteil organischer Solarzellen ist die vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit der Absorbermaterialien, welche oft die Schichtdicke der Absorbermaterialien begrenzt. Dies hat weniger absorbierte Photonen, weniger Stromdichte und somit einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge. In den letzten Jahren wurden periodisch strukturierte Substrate und streuende Schichten als Lichteinfangelemente eingesetzt, um den Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit dünnen Absorberschichten zu erhöhen. Gestaltungsregeln für solche Lichteinfangelemente sind noch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit strukturieren wir PET Substrate mit einem direkten Laserinterferenzsystem, welches ein leistungsfähiges, skalierbares Einschrittverfahren zur Polymerstrukturierung ist. Da PEDOT:PSS aus der Lösung prozessiert wird, können wir weiterhin Nanopartikel hinzufügen, die der Elektrode zusätzlich noch lichtstreuende Eigenschaften geben. Außerdem können 2- bzw. 3-dimensionale Nanostrukturen leicht mithilfe einer Stempeltechnik eingeprägt werden.
Um die Effekte des Lichteinfangs, welcher durch die oben genannten Methoden erzeugt wird, zu untersuchen, werden flexible organische Solarzellen mittels Vakuumverdampfung prozessiert. DCV5T-Me und C60 bilden dabei die photoaktive Schicht. Somit werden die Licht fangenden Eigenschaften dieser flexiblen Solarzellen ausgenutzt und ausführlich in der Arbeit diskutiert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30183 |
| Date | 20 February 2017 |
| Creators | Park, Yoonseok |
| Contributors | Vandewal, Koen, Leo, Karl, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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