Lichtinduzierte Defekte in organischen Halbleitermischungen

Organische Solarzellen haben in letzter Zeit sehr viel Interesse hervorgerufen. Sie können einfach und kostengünstig hergestellt werden, man kann sehr leichte, flexible und sogar teiltransparent organische Photovoltaik- Elemente produzieren. In den letzten Jahren gab es sehr große Fortschritte bei der Verbesserung des Wirkungsgrads dieser Zellen. Lag im Jahr 2001 der höchste publizierte Wirkungsgrad organischer Solarzellen bei 2.5 %, so berichten heute verschiedene Gruppen Wirkungsgrade zwischen 9 und 10 %. Im Gegensatz dazu wurde das Thema Langzeitstabilität der organischen Solarzellen lange Zeit vernachlässigt und derzeit ist wenig über die Alterungsprozesse in organischen Solarzellen bekannt. In diesem Projekt soll diese Problematik adressiert werden. Eine Methode zur Charak-terisierung von elektronischen Defektzuständen, welche für die beobachtete Alterung der Solarzellen oft verantwortlich gemacht werden, soll entwickelt werden. Die besonders empfindliche Elektron Spin Resonanz (ESR) soll dabei zum Einsatz kommen. Die beobachteten Defektzustände werden im weiteren Verlauf mit Änderungen der optischen und elektrischen Eigenschaften dünner Halbleiterfilme und der Alterung von organischen Solarzellen korreliert. Ein Ziel des Projekts ist es, die ESR als Methode für die Defektcha-rakterisierung in organischen Halbleitern zu etablieren. ESR könnte eine einfache Be-stimmung der intrinsischen Stabilität von organischen Halbleitern erlauben und zu einer Standardcharakterisierungsmethode für diese Materialklasse werden.

Seit einigen Jahren werden organische Solarzellen als Alternative zur Siliziumtechnologie für die Umwandlung von Solarstrahlung in Elektrizität untersucht. Sie zeichnen sich durch mehrere Vorteile aus. Ihre Herstellung ist einfach und kostengünstig. Es lassen sich leichte, flexible Bauteile realisieren und organische Solarzellen können durch Farbe und Design auch im Bereich Ästhetik punkten. Derzeit haben organische Solarzellen auch noch einige Nachteile. Zum Ersten ist ihr Wirkungsgrad geringer (5-10 % anstatt 15-20 %) und ihre Lebensdauer unter Betriebsbedingungen ist auch deutlich kürzer. Beide Nachteile führen dazu, dass organische Solarzellen heute nur in Nischenmärkten zur Anwendung kommen. Es werden Applikationen, die die mechanischen oder ästhetischen Eigenschaften, nicht aber lange Haltbarkeit erfordern, bevorzugt adressiert. Ziel des Projekts war es, die intrinsische Photo-Stabilität von Halbleitermaterialien zu untersuchen, die in organischen Solarzellen zum Einsatz kommen. Damit sollten die Alterungsmechanismen untersucht und gleichzeitig vorteilhafte Halbleiterstrukturen mit besserer Haltbarkeit identifiziert werden. Für diese Arbeiten wurden verschiedene Halbleiter gezielt gealtert und wiederholt spektroskopischen Untersuchungen unterzogen. Zentral für das Projekt war der Einsatz der Elektronspin- Resonanz. Diese ist extrem empfindlich und kann kleinste Änderungen in den Halbleitereigenschaften detektieren. Zusätzlich wurden Solarzellen gebaut und gezielt gealtert, um die spektroskopischen und die Bauteil-Daten miteinander zu korrelieren. Aus den Projektarbeiten ergaben sich einige unerwartete Ergebnisse. Die intrinsische Stabilität von organischen Haltleitern ist ausgezeichnet. Selbst nach 1000 Stunden intensiver Beleuchtung mit Solarstrahlung konnten wir keine Änderungen in den Elektronspin-Resonanz-Spektren feststellen. Die Licht-induzierten Prozesse wie die Ladungserzeugung als auch deren Rekombination sind daher hochgradig reversible. Anders stellt sich die Situation in Anwesenheit von Sauerstoff dar. Licht und O2 führen zu einer Alterung der Halbleitermaterialien. Dabei verlieren diese schnell ihre elektronischen Eigenschaften. D.h. für die Langzeitstabilität ist der Ausschluss von Sauerstoff extrem wichtig. Die Alterungsversuche an Solarzellen korrelieren nur beding mit den spektroskopischen Untersuchungen. Selbst unter Ausschluss von Sauerstoff zeigen viele organische Solarzellen nach wenigen hundert Stunden Beleuchtung deutlich Alterungserscheinungen. Die Untersuchungen zeigen, dass nicht nur die Stabilität des Halbleiters, sondern auch der Aufbau des Bauteils wichtig sind. Unsere Resultate unterstützen die These, dass es wahrscheinlich keine grundlegenden Mechanismen gibt, die die Stabilität von organischen Solarzellen beschränken. Allerdings bedarf es optimierter Materialkombinationen (Elektroden, Zwischenschichten, Halbleiter) um lange Lebenszeiten zu erzielen. Für viele high-performance Halbleiter wurde diese noch Materialien noch nicht identifiziert und es bedarf weiterer Arbeiten, um diese zu entwickeln.