Design of P3HT:Fullerene Nanoparticle Dispersions for the Fabrication of Organic Solar Cells

Organische Solarzellen bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Neben ihren hervorragenden Wirkungsgraden, besonders unter schwacher Beleuchtung, können sie mechanisch flexibel und sogar semitransparent hergestellt werden. Durch ihre geringe Schichtdicke, die im Bereich von wenigen hundert Nanometern liegt, wird eine geringe Menge Material zur Herstellung benötigt, was zu einem geringen Gewicht der Solarzelle führt und zudem eine Energierücklaufzeit von nur wenigen Monaten ermöglicht. Für den industriellen Einsatz überzeugen vor allem die potentiell kostengünstige Herstellung, welche durch Druck- und Beschichtungsverfahren in kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich ist. ... mehrDiese Verfahren erfordern spezielle Tinten, die auf das Druckverfahren und die gewünschten Schichteigenschaften abgestimmt werden müssen. Die meisten organischen Materialien, die in Solarzellen verwendet werden, sind nicht in umweltfreundlichen Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkohol löslich, sondern in halogenierten Lösungsmitteln, die oft umweltschädlich und für den Menschen giftig oder krebserregend sind und dadurch aufwendige Gasreinigungen während des Druckprozesses voraussetzen. Mit diesem Verfahren werden aktuelle Laborwirkungsgrade von bis zu 19 % erzielt. Für einen industriellen Prozess wäre der Verzicht auf bedenkliche Lösungsmittel allerdings erstrebenswert. Mit einem alternativen Ansatz, der Nanopartikelfällung, ist es möglich, einen organischen Halbleiter in einer umweltfreundlichen Flüssigkeit zu dispergieren und somit die Verwendung giftiger Lösungsmittel im Druckprozess zu vermeiden.
Die Entwicklung des Wirkungsgrades von 4 % zu Beginn dieser Arbeit auf nun über 10 % durch die Verwendung hocheffizienter Absorbermaterialien und flüchtiger Stabilisatoren unterstreicht das Potential dieses Ansatzes.
Die gebräuchliche Methode zur Herstellung der Nanopartikeldispersionen ist die manuelle Fällung im Becherglas, welche nur eine begrenzte Reproduzierbarkeit ermöglicht. Ausgehend von dem Materialgemisch aus P3HT und IC$_{60}$BA, mit dem die Herstellung von stabilen Nanopartikeldispersionen möglich ist, wird in dieser Arbeit eine Methode der kontinuierlichen Fällung mittels Mikrofluidik untersucht. Zunächst wird ein geeigneter Aufbau umgesetzt. Anschließend werden die Einflussfaktoren auf den Fällungsprozess identifiziert und qualifiziert. Durch die gezielte Kontrolle der Einflussfaktoren können Dispersionen mit maßgeschneiderter Nanopartikelgröße hergestellt werden, die eine hoch reproduzierbare Fällung ermöglichen. Diese Dispersionen weisen eine herausragende Stabilität von über einem Jahr auf.
Zur Qualifizierung dieses Prozesses werden organische Solarzellen mit einer Absorberschicht aus Nanopartikeln hergestellt, die den Wirkungsgrad der Solarzellen mit einer Absorberschicht aus der bekannten Becherglasfällung im direkten Vergleich übertreffen.
Während P3HT gemeinsam mit dem Akzeptor IC$_{60}$BA stabile Dispersionen bildet, flocken viele andere Akzeptoren aus. Daher konzentriert sich der zweite Teil dieser Arbeit auf die erforderlichen Voraussetzungen für die Bildung von Nanopartikeln aus P3HT:Akzeptor-Mischungen. Dafür wird die bekannte Gruppe der Fullerene untersucht, wobei die Mischbarkeit von P3HT und Akzeptor als einer der wichtigsten Faktoren identifiziert wird.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird die Verwendung einer dritten Komponente untersucht, um P3HT:Akzeptor-Gemische, mit denen vorher keine stabilen Dispersionen möglich waren, zu stabilisieren. Dafür werden Akzeptoren wie das Fulleren PC$_{71}$BM oder Donatoren wie regiorandom P3HT untersucht. Mit der Mischbarkeit als Prozesskriterium konnten erste vielversprechende Ergebnisse erzielt werden.
Mit den aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen ist ein skalierbares Konzept für die Herstellung von ungiftigen Tinten für die Fertigung von organischen Solarzellen umsetzbar, das einen reproduzierbaren Prozess ermöglicht. So können in Zukunft hocheffiziente Solarzellenmaterialien gezielt für die Schichtherstellung mittels Nanopartikeldispersionen entwickelt werden, welche die umweltfreundliche Herstellung organischer Solarzellen weiter vorantreibt.

Organic solar cells have many advantages, compared to conventional silicon solar cells. Besides their excellent low-light performance, especially under low light conditions, they can be mechanically flexible and even semi-transparent, depending on their fabrication. Because the light-harvesting layer thickness is typically in the range of a few hundred nanometers, only a small amount of material is required for the production, resulting in a low weight of the solar cell cell and enabling an energy payback time of only a few months. For industrial use, the potential of low-cost production, which can be achieved via printing and coating processes in continuous roll-to-roll machines, is the most important factor. ... mehrThese processes require special inks that match the printing process and the desired film properties. Most organic semiconductors used in solar cells are not soluble in eco-friendly solvents such as water or alcohol, but in halogenated solvents, which are often harmful to the environment and toxic or carcinogenic to humans, thus requiring costly gas purification during the printing process. With this process, current laboratory efficiencies of up to 19 % are achieved. For an industrial process, however, the elimination of solvents of concern is desirable. With the alternative approach of the nanoprecipitation, it is possible to disperse an organic semiconductor inside an eco-friendly liquid agent hence omitting the use of toxic solvents in the printing process.
The development of the efficiency from 4 % in the beginning of this work to over 10 % mainly due to the use of high efficient absorber materials and volatile stabilizers underlines the potential of this approach.
The common method of synthesizing nanoparticle dispersions is the manual nanoprecipitation inside a beaker, allowing only limited reproducibility. Starting with the blend of P3HT and IC$_{60}$BA, which enables the synthesis of stable nanoparticle dispersions, the production of nanoparticle dispersions by the continuous flow nanoprecipitation via microfluidics is examined in this work.
First, a suitable setup is implemented. Then, the influencing parameters on the nanoprecipitation process are identified and qualified. By controlling the influencing factors, dispersions with tailored nanoparticle sizes can be produced, allowing a highly reproducible nanoprecipitation. These dispersions exhibited an outstanding stability of over one year. To qualify this process, organic solar cells with light-harvesting layers from nanoparticle dispersions are fabricated. In direct comparison, they outperformed the efficiency of solar cells with a light-harvesting layer from the common beaker precipitation.
While the blends of P3HT and IC$_{60}$BA form stable dispersions, when blended with P3HT, many other acceptors flocculate. Therefore, the second part of this thesis focuses on the crucial requirements for the nanoparticle formation of P3HT:acceptor blends. Hence, the well-known group of fullerene derivatives is examined, and the miscibility of P3HT and the acceptor is identified as one of the most important factors.
From these results, the use of a third component is investigated to stabilize P3HT:acceptor blend that did not form stable dispersions. For this purpose, acceptors such as the fullerene PC$_{71}$BM or donors such as regiorandom P3HT are investigated. With miscibility as a relevant factor, fist promising results could be obtained.
With the knowledge gained from this work, a scalable concept for the production of non-toxic inks for the fabrication of organic solar cells can be implemented, enabling a reproducible process. Thus, in the future, highly efficient solar cell materials can be specifically designed for layer production using nanoparticle dispersions, which will further promote the eco-friendly production of organic solar cells.