Organische Solarzellen: Synthese und Stabilisierung tensidfreier organischer Halbleiterdispersionen

Die vorliegende Dissertation behandelt die Herstellung tensidfreier Nanopartikeldispersionen organischer Halbleiter. Die Forschung an diesem Thema motiviert sich aus der Diskussion, ob die üblicherweise beim Druckprozess organischer Solarzellen verwendeten, giftigen und umweltschädlichen organischen Lösungsmittel durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt werden können. In der Vergangenheit wurde bereits gezeigt, dass tensidfreie Nanopartikeldispersionen aus einem Gemisch der organischen Halbleiter Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und Inden-C$_{60}$-bisaddukt (ICBA) in Ethanol mit einer einfachen Fällungsmethode zugänglich sind und eine attraktive Alternative zur Verwendung chlorierter Lösungsmittel darstellen. Die Übertragung dieses vielversprechenden Ansatzes auf effizientere organische Halbleiter scheiterte bislang an der geringen kolloidalen Stabilität der Dispersionen. Daran anknüpfend bestand die Zielsetzung dieser Arbeit darin, Kriterien für die Bildung stabiler Dispersionen zu erarbeiten und schließlich die Anwendbarkeit der Fällungsmethode auf beliebige organische Halbleiter zu beurteilen.

Ausgehend von Fällungen von P3HT in Ethanol wurde der Mechanismus der Partikelbildung und -stabilisierung untersucht. ... mehrDabei wurde gezeigt, dass eine elektrostatische Stabilisierung die zentrale Voraussetzung für die Bildung stabiler Dispersionen darstellt und weiterhin einen großen Einfluss auf die resultierende Partikelgröße hat. Zur Erklärung wurde ein Modell entwickelt: Nach Fällung im Nichtlösungsmittel kollabieren die Polymerketten und agglomerieren zu annähernd sphärischen Partikeln. Mit zunehmender Oberflächenladung und Partikelgröße steigt die repulsive Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln an, sodass der Agglomerationsprozess je nach Stabilisierung bei kleineren oder größeren Partikeln zum Erliegen kommt.

Optische Anregung, Oxidation oder Protonierung des Polymers wurden als Methoden identifiziert, um eine Partikelladung zu erzeugen und somit die elektrostatische Stabilisierung zu erhöhen. Ohne zugesetzte Oxidationsmittel muss der Ladungsaustausch mit dem Dispersionsmedium stattfinden. Als besonders geeignete Dispersionsmedien für P3HT stellten sich die meisten protischen Lösungsmittel heraus, was eine Ladungserzeugung durch Protonierung nahelegt.

Eine umfangreiche Versuchsreihe mit weiteren halbleitenden Polymeren führte zu der Schlussfolgerung, dass eine ausreichende elektrostatische Stabilisierung vor allem mit leicht ionisierbaren Polymeren gelingt. Nur wenige kommerziell erhältliche organische Halbleiter erfüllen dieses Kriterium, was die zuvor nicht erfolgreiche Übertragbarkeit der Fällungsmethode erklärt.

Schließlich wurde in der Arbeit die Co-Fällung von P3HT mit verschiedenen Akzeptoren untersucht, mit dem Ziel, durchmischte Nanopartikel zu erhalten, wie sie für die Herstellung organischer Solarzellen benötigt werden. Hierbei wurde eine generelle Tendenz zur Sedimentation des Akzeptors beobachtet, wobei das Ausmaß dieser Separation vom jeweiligen Halbleiter abhing. Dispersionen mit ausgeprägter Separation des Akzeptors eigneten sich nicht zur Herstellung organischer Solarzellen. Neben ICBA zeigte auch Phenyl-C$_{71}$-Buttersäuremethylester (PC$_{71}$BM) eine geringe Separation und eine gute Durchmischung mit P3HT. Aus den P3HT:PC$_{71}$BM-Dispersionen wurden organische Solarzellen mit gutem Wirkungsgrad hergestellt.

In der Summe wurden zahlreiche Kriterien für die Bildung stabiler, tensidfreier Nanopartikeldispersionen aus organischen Halbleitern identifiziert. Diese Kriterien werden nur von wenigen der derzeit gebräuchlichen organischen Halbleitern erfüllt.