Charge recombination in novel blend materials for organic solar cells: optical detection and kinetic modelling

Melissa Van Landeghem
Zonne-energie 2.0: transparant, flexibel en goedkoopOveral in Vlaanderen zie je ze tegenwoordig op de daken liggen, die typische blauwzwarte silicium zonnepanelen. Zonne-energie wordt dan ook beschouwd als een van de beloftevolste hernieuwbare energiebronnen en er wordt volop op ingezet in de strijd tegen de klimaatopwarming. Enig idee hoeveel al die zonnepanelen nu werkelijk bijdragen tot de totale elektriciteitsproductie wereldwijd? Slechts 0.9%. Met andere woorden, bijna niets.

Charge recombination in novel blend materials for organic solar cells: optical detection and kinetic modelling

Zonne-energie 2.0: transparant, flexibel en goedkoop

Overal in Vlaanderen zie je ze tegenwoordig op de daken liggen, die typische blauwzwarte silicium zonnepanelen. Zonne-energie wordt dan ook beschouwd als een van de beloftevolste hernieuwbare energiebronnen en er wordt volop op ingezet in de strijd tegen de klimaatopwarming. Enig idee hoeveel al die zonnepanelen nu werkelijk bijdragen tot de totale elektriciteitsproductie wereldwijd? Slechts 0.9%. Met andere woorden, bijna niets. Dit komt omdat zonder overheidssteun zonnepanelen nog altijd duur zijn in vergelijking met vervuilende energiebronnen zoals olie en gas. Tijd voor een alternatief dus! Organische zonnecellen zijn flinterdun, transparant en bovendien spotgoedkoop. Momenteel enkel in het lab, maar over een paar jaar misschien op je dak?

Waarom organisch?

De term ‘organisch’ slaat op het feit dat de materialen waaruit de zonnecel gemaakt is bestaan uit koolstofverbindingen net zoals planten, aardolie en plastiek. Zulke materialen zijn interessant omdat zonnecellen dan heel eenvoudig gemaakt kunnen worden vanuit oplossingen bij kamertemperatuur. Gebruiken we die oplossingen als inkt, dan zouden we ze zelfs op grote schaal kunnen drukken zoals kranten! Even ter vergelijking, om silicium te maken zijn er hoge-temperatuursprocessen nodig die zo energie-intensief zijn dat het typisch enkele jaren duurt vooraleer een zonnepaneel evenveel energie geleverd heeft als er nodig was om het paneel te maken. Schakelen we over naar organisch dan zou de energiekost van de productie dus drastisch dalen. Bovendien kunnen organische zonnecellen ook op plastiek substraten aangebracht worden wat totaal nieuwe toepassingen van zonne-energie mogelijk maakt. Denk bijvoorbeeld aan ingebouwde zonnecellen op je kledij, op bouwmaterialen of zelfs zonnecelstickers.

Jammer genoeg hebben ook organische zonnecellen een schaduwkant. Zo staat de recordefficiëntie momenteel op 10% wat veel lager is dan de typische efficiëntie van een commercieel zonnepaneel (18-20%). Ook de stabiliteit van de zonnecellen in openlucht laat op dit moment nog te wensen over. Er is dus meer wetenschappelijk onderzoek nodig om de zonnecellen te verbeteren. In mijn masterthesis onderzocht ik daarom nieuwe zonnecelmaterialen en probeerde ik beter te begrijpen waarom deze slechts lage efficiënties opleveren. Gebaseerd op deze inzichten kunnen dan nieuwe materialen met betere eigenschappen ontworpen worden.

Van zonlicht naar elektriciteit en terug

Laten we eerst eens bekijken hoe zo’n zonnecel precies werkt. Organische zonnecellen bestaan uit een laag van 2 materialen, de donor en de acceptor, die als het ware gesandwicht wordt tussen 2 metalen elektrodes. Wanneer het donormateriaal zonlicht absorbeert, zal een negatief geladen elektron in een hogere energietoestand terecht komen. De energietoestand waar het elektron zich oorspronkelijk bevond is dan leeg en krijgt daarom een positieve lading. Omdat tegengestelden elkaar aantrekken, zullen het achterblijvende ‘gat’ en het elektron een paar vormen en samen door het donormateriaal bewegen. Om een elektrische stroom te genereren moet vervolgens het paar opengebroken worden. Hiervoor hebben we het acceptormateriaal nodig dat het elektron kan lostrekken uit het paar waarbij het gat achterblijft op het donormateriaal. Wanneer het paar gesplitst is, kan het elektron via de acceptor naar de negatieve elektrode bewegen en zo een elektrische stroom opwekken. Maar ook het positieve gat draagt bij aan de elektrische stroom! Vergelijk dit met een volle doos chocolaatjes waaruit je een chocolaatje weghaalt. Dit is het geëxciteerde elektron. Door de overgebleven chocolaatjes te verschuiven kan je dan het ‘gat’ laten bewegen door de doos. Op dezelfde manier zal in de zonnecel het gat via het donormateriaal naar de positieve elektrode bewegen.

Het proces om zonlicht om te zetten in elektrische stroom kan dus opgedeeld worden in 2 stappen. Eerst moeten er vrije ladingen, elektronen en gaten, gevormd worden door absorptie van licht. Vervolgens moeten deze ladingen door het materiaal naar de elektrodes bewegen. In beide stappen kunnen er echter verliesmechanismen optreden die ervoor zorgen dat de efficiëntie van de zonnecel vermindert. Zo kan bijvoorbeeld een elektron een naburig gat opnieuw opvullen waarbij de geabsorbeerde zonne-energie verloren gaat als licht of warmte. Terug naar af dus. Het begrijpen van zulke zogenaamde recombinatieprocessen in een zonnecel is dan ook noodzakelijk om op termijn de efficiënties te kunnen verbeteren.

Wat licht ons kan leren

Om de nieuwe zonnecelmaterialen te onderzoeken gebruik ik verschillende optische technieken. In de eerste plaats wil je natuurlijk weten of die nieuwe materialen wel geschikt zijn om zonlicht te absorberen. Dit is het domein van de absorptiespectroscopie waarbij je opmeet welke kleuren goed of minder goed door de donor-acceptor laag geabsorbeerd worden. Ook het licht dat uitgezonden wordt na een recombinatieproces is erg interessant. Zo zal de energie en dus de kleur van het uitgezonden licht anders zijn wanneer een elektron-gat paar recombineert vóór of nadat het elektron wordt overgedragen naar de acceptor. Op die manier kan je dus bepalen of er elektronoverdracht plaatsvindt tussen donor en acceptor en hoe efficiënt die overdracht gebeurt.

Om te bestuderen wat er nu precies fout loopt in een zonnecel met lage efficiëntie maken we gebruik van fotogeïnduceerde absorptie. Hierbij bestralen we een donor-acceptor laag met laserlicht zodat er elektronen en gaten ontstaan in het materiaal (fotogeïnduceerd). Tegelijk wordt de absorptie van wit licht door de laag gemonitord. Wanneer we de laser uitschakelen, verdwijnen de ladingen weer door recombinatie en zal ook de absorptie van wit licht veranderen. Deze verandering in absorptie geeft dus unieke informatie over wat er precies in de zonnecel gebeurt. Bovendien is het gedrag van recombinatieprocessen tijdens stap 1, het creëeren van vrije ladingen, en stap 2, het transport ervan, erg verschillend wat zich uit in de fotogeïnduceerde absorptie. Door het vergelijken van theoretische modellen voor recombinatie met de experimentele resultaten kunnen we dan onderzoeken welke verliesmechanismen er aan het werk zijn in de zonnecel.

Een zonnige toekomst?

Het verbeteren van de efficiëntie en stabiliteit van organische zonnecellen blijven belangrijke uitdagingen voor de toekomst. Gelukkig leert experimenteel onderzoek ons steeds meer over de nanowereld van gaten en elektronen zodat we steeds betere zonnecelmaterialen kunnen ontwikkelen. Dus wie weet, misschien worden over enkele jaren die logge zonnepanelen op onze daken wel vervangen door dunne plastiek zonnecellen in hippe kleuren!

Melissa Van Landeghem

Bibliografie

[1] Organic Photovoltaics: Materials, Device Physics, and Manufacturing Technologies.Wiley-VCH, 2014.[2] Dechan Angmo and Frederik C. Krebs. Flexible ITO-free polymer solar cells. Journal ofApplied Polymer Science, 2012.[3] Carsten Deibel and Vladimir Dyakonov. Polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells.Reports on Progress in Physics, 2010.[4] Liam Emmett, Giles M. Prentice, and G. Dan Pantos. Donor-acceptor interactions inchemistry. Annual Reports on the Progress in Chemistry - Section B (Organic Chemistry),2013.[5] Paul Janssen. Spins in organic semiconductors: Revealing the dominant mechanisms oforganic magnetoresistance. PhD thesis, Technische Universiteit Eindhoven, 2013.[6] Mikkel Jorgensen, Kion Norrman, and Frederik C. Krebs. Stability/degradation of polymersolar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008.[7] Takashi Kobayashi, Yosuke Terada, Takashi Nagase, and Hiroyoshi Naito. Determinationof carrier lifetime in bulk-heterojunction solar cells by continuous-wave photoinducedabsorption spectroscopy. Applied Physics Express, 2011.[8] Julija Kudrjasova, Roald Herckens, Huguette Penxten, Peter Adriaensens, Laurence Lutsen,Dirk Vanderzande, and Wouter Maes. Direct arylation as a versatile tool towardsthiazolo[5,4-d]thiazole-based semiconducting materials. Organic and Biomolecular Chem-istry, accepted for publication in 2014.[9] Yuhang Liu, Jingbo Zhao, Zhengke Li, Cheng Mu, Wei Ma, Huawei Hu, Kui Jiang, HaoranLin, Harald Ade, and He Yan. Aggregation and morphology control enables multiple casesof high-eciency polymer solar cells. Nature Communications, accepted for publication in2014.[10] Nissy Nevil. Optical spectroscopy investigation of charge transfer and recombination inblends of MDMO-PPV with novel small molecule acceptors. PhD thesis, UniversiteitAntwerpen, 2014.[11] Nissy Nevil, Yu Ling, Sarah Van Mierloo, Jurgen Kesters, Fortunato Piersimoni, PeterAdriaensens, Laurence Lutsen, Dirk Vanderzande, Jean Manca, Wouter Maes, SabineVan Doorslaer, and Etienne Goovaerts. Charge transfer in the weak driving force limit inblends of MDMO-PPV and dithienylthiazolo[5,4-d]thiazoles towards organic photovoltaicswith high Voc. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012.[12] Christopher M. Proctor, Martijn Kuik, and Thuc-Quyen Nguyen. Charge carrier recombinationin organic solar cells. Progress in Polymer Science, 2013.[13] REN21. Renewables 2014 - global status raport. 2014.[14] M.C. Scharber and N.S. Sariciftci. Eciency of bulk-heterojunction organic solar cells.Progress in Polymer Science, 2013.[15] Wiebe Wagemans. Plastic Spintronics: Spin transport and intrinsic magnetoresistance inorganic semiconductors. PhD thesis, Technische Universiteit Eindhoven, 2010.[16] www.sigmaaldrich.com.[17] Naichia Yeh and Pulin Yeh. Organic solar cells: Their developments and potentials.Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013.[18] Biniam Zerai Tedlla, Feng Zhu, Matthijs Cox, Jeroen Drijkoningen, Jean Manca, BertKoopmans, and Etienne Goovaerts. Understanding triplet formation pathways in bulkheterojunction polymer:fullerene photovoltaic devices. Advanced Energy Materials, 2014.

Universiteit of Hogeschool
Fysica
Publicatiejaar
2015
Deel deze scriptie