Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-975573
Saladina, Maria
Deibel, Carsten (Prof. Dr.) ; MacKenzie, Roderick (Prof. Dr.) (Gutachter)
Fill Factor Losses in Organic Solar Cells
The Role of Recombination, Charge Transport and Energetic Disorder
Kurzfassung in deutsch
Seit der Einführung von Nicht-Fullerene-Akzeptoren haben organische Solarzellen bemerkenswerte Fortschritte in der photovoltaischen Effizienz erzielt, die sich der 20 %-Marke nähert. Während die Verbesserungen des Füllfaktors mit der Optimierung von Materialien und Bauteilen einhergingen, sind weitere Fortschritte erforderlich. Der Füllfaktor wird von einem komplexen Zusammenspiel zwischen Rekombinationsmechanismen - geminal und nichtgeminal - und dem Ladungstransport beeinflusst. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Verluste und unterscheidet deren Auswirkungen auf den Füllfaktor. Wir finden, dass ein höheres Quadrupolmoment des Akzeptors zu effizienter Ladungsgeneration führt. Entsprechende Akzeptoren werden in modernen organischen Solarzellen eingesetzt, sodass ihr Füllfaktor nicht durch geminale Verluste begrenzt ist. Stattdessen ergibt sich die wesentliche Limitierung durch den Transportwiderstand, der sich aus Ladungsträgern mit niedriger Beweglichkeit innerhalb der aktiven Schicht ergibt. Die Minimierung dieser Verluste kann es ermöglichen, Effizienzen von über 21 % zu erreichen. Bisherige Modelle zur Erklärung von Füllfaktorverlusten berücksichtigen energetische Unordnung nicht ausreichend, obwohl diese eine zentrale Rolle bei den elektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter spielt. Diese Arbeit präsentiert eine indirekte Methode zur Bestimmung der energetischen Verteilung lokalisierter Zustände anhand der Temperaturabhängigkeit des Rekombinations-Idealitätsfaktors. Basierend auf den Ergebnissen schlagen wir eine komplexere Zustandsdichte-Struktur vor als die üblichen gaußschen oder exponentiellen Verteilungen: ein Potenzgesetz mit zunehmender Unordnung tiefer in der Energielücke. Dieser Befund wird auf die elektrische Leitfähigkeit angewendet, die mit einer neuen Methode basierend auf Strom-Spannungs-Messungen bei variierender Beleuchtungsstärke bestimmt wird. Ladungstransport und Rekombination sind direkt miteinander verbunden und können im selben analytischen Rahmen beschrieben werden, obwohl sie von unterschiedlichen Ladungsträgern gesteuert werden. Diese Erkenntnisse werden in ein bestehendes Modell des Transportwiderstands integriert, das energetische Unordnung berücksichtigt. Diese Arbeit trägt dazu bei, die Leistung organischer Solarzellen weiter zu verbessern und vertieft das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse.
Kurzfassung in englisch
Since the introduction of non-fullerene acceptors, organic solar cells have achieved remarkable gains in photovoltaic conversion efficiency, nearing 20 %. While fill factor improvements have accompanied material and device optimisation, further progress is still required. The fill factor is influenced by a complex interplay between recombination mechanisms - both geminate and nongeminate - and charge transport. This thesis addresses these losses and disentangles their impact on the fill factor. The findings indicate that a higher molecular quadrupole moment of the acceptor leads to efficient charge generation. Such acceptors are used in state-of-the-art organic solar cells, thus their fill factor is not limited by geminate losses. Instead, the primary limitation arises from transport resistance - the resistance encountered by charge carriers as they move within the active layer. Minimising these losses could enable organic solar cells to achieve power conversion efficiencies exceeding 21 %. To date, models addressing fill factor losses have not adequately considered energetic disorder, a key characteristic of organic semiconductors that strongly influences their electronic properties. This thesis presents an indirect method for determining the shape of the energetic distribution of localised states by examining the temperature dependence of the recombination ideality factor. Based on the results, we propose a more complex density of states structure than the commonly assumed Gaussian or exponential distributions: a power law, with increasing disorder deeper into the energy gap. This finding is applied to electrical conductivity, determined using a novel method based solely on measurements of current-voltage characteristics under varying illumination intensities. We find that charge transport and recombination processes are directly related and can be described within the same analytical framework, although they are governed by different types of charge carriers. These insights are incorporated into an existing model of transport resistance, accounting for the effects of energetic disorder. This thesis contributes to improving the overall performance of organic solar cells and deepens understanding of the fundamental processes at play.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Optik und Photonik kondensierter Materie | |
| Fakultät: | Fakultät für Naturwissenschaften | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Deibel, Carsten (Prof. Dr.) | |
| DOI: | doi:10.60687/2025-0123 | |
| SWD-Schlagwörter: | Organische Solarzelle , Elektronischer Transport , Rekombination , Zustandsdichte | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | organische Solarzellen , Ladungstransferzustand , Leerlaufspannung , energetische Unordnung , Zustandsdichte , Transportwiderstand , Rekombination , Leitfähigkeit , Ladungstransport , Füllfaktor | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | organic solar cells , charge-transfer state , open-circuit voltage , energetic disorder , density of states , transport resistance , recombination , conductivity , charge transport , fill factor | |
| DDC-Sachgruppe: | Physik, Elektrizität, Elektronik | |
| Sprache: | englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 09.01.2025 |
