Organische Solarzellen: Kolloidale Stabilisierung von organischen Nanopartikeldispersionen durch elektrische Dotierung

Ein wesentlicher Vorteil der organischen Elektronik und insbesondere der organischen Pho-
tovoltaik liegt in ihrer Flüssigprozessierbarkeit. Dazu werden die organischen Halbleiter in
Lösungsmitteln aufgelöst und über Druck- oder andere Beschichtungsverfahren auf Substrate
abgeschieden. Die Verwendung solcher Hochdurchsatzverfahren verspricht eine günstige und
schnelle Herstellung. Weil sich die meisten organischen Halbleiter aber nur in giftigen und
umweltschädlichen Lösungsmitteln auflösen lassen, müssen die bei der Herstellung verdamp-
fenden Lösungsmittel aufwendig aufgefangen werden, was dem Ziel der kostengünstigen Her-
stellung entgegensteht.
In vorherigen Arbeiten wurde gezeigt, dass sich organische Halbleiter auch in ungiftigen und
umweltfreundlichen Lösungsmitteln wie Alkoholen oder Wasser in Form von Nanopartikeln
dispergieren lassen. Diese Dispersionen können durch Fällung ohne den Einsatz von stabilisie-
renden Tensiden hergestellt werden. Dadurch sind die Wirkungsgrade der aus den Dispersionen
hergestellten Solarzellen mit den Wirkungsgraden der aus Lösung prozessierten Solarzellen ver-
gleichbar.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass der bisher in diesem Prozess verwendete organische Halblei-
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ter Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) Nanopartikel bildet, die elektrostatisch stabilisiert
sind. Durch die gleichnamige Ladung auf den Halbleiter-Nanopartikeln wird die Agglomerati-
on wegen der elektrostatischen Abstoßung verhindert. Auf Grund dieser Erkenntnis wird daher
untersucht, wie sich die Ladung auf den P3HT-Nanopartikeln erhöhen lässt, um die Stabilität
der Nanopartikel zu verbessern. Es wird nachgewiesen, dass eine elektrische p-Dotierung durch
Einbringen eines starken molekularen Elektronenakzeptors bereits in Lösung positive Ladungen
auf dem Polymer erzeugt, die auch nach der Fällung auf den Polymer-Nanopartikeln erhalten
bleiben. Dadurch kann eine größere Oberfläche stabilisiert werden, so dass das Wachstum der
Nanopartikel während der Fällung durch Agglomeration unterdrückt wird und kleinere Nano-
partikel entstehen.
Dieses neue Konzept lässt sich auch auf andere organische Halbleiterdispersionen übertragen,
die ohne Zusätze keine kolloidale Stabilisierung aufweisen. Auch hier führt die Dotierung der
Polymer-Lösung vor der Fällung zur Aufladung der Nanopartikel und zur kolloidalen Stabi-
lisation der Dispersionen. Dadurch wird die Auswahl der organischen Halbleiter für die Her-
stellung nanopartikulärer Solarzellen auch auf moderne, hocheffiziente Materialkombinationen
erweitert. Mit Iod wurde ein Dotand gefunden, der wegen seiner Flüchtigkeit die Solarzelle
nach deren Schichtabscheidung wieder verlässt. Das ermöglicht die Herstellung von tensidfrei-
en nanopartikulären Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 10,6%.
Die Nanopartikel-Dispersionen eignen sich nicht nur zur Herstellung organischer Solarzellen,
sondern werden in dieser Arbeit auch erstmals für organische Photodetektoren verwendet. Die
nanopartikulären Photodioden erreichen ähnliche Kenngrößen wie ihre aus Lösung hergestell-
ten Pendants. Die Verwendung von Ethanol als Dispersionsmedium erweitert jedoch die Aus-
wahl der in der organischen Photodiode verwendbaren Transportschichten, so dass der für Pho-
todioden entscheidende Dunkelstrom wesentlich reduziert wird.