Charge collection in thin-film devices based on low-mobility semiconductors : Theory, simulation, and applications to organic solar cells

Solceller baserade på tunna filmer av organiska halvledare är ett attraktivt alternativ för framtida energiteknologier, med potential för miljövänlig och hållbar energiproduktion. Organiska solceller har dock i dagsläget en låg verkningsgrad. För att kunna öka på verkningsgraden är det viktigt att förstå den underliggande fysiken bakom de begränsande faktorerna.

Organiska solceller är dioder som består av ett tunt ljusabsorberande aktivt lager av organiska halvledare som ligger mellan två ledande elektroder, kopplade till en yttre krets. Strömledningsförmågan i halvledaren bestäms av de elektriska laddningarnas mobilitet inom materialet i fråga. Jämfört med många andra halvledare, är mobiliteterna i organiska halvledare ofta väldigt låga. Under belysning, genereras exciterade laddningar inne i det aktiva lagret. Då dessa laddningar extraheras vid elektroderna, kommer en elektrisk ström att genereras i den yttre kretsen och energi kan utvinnas. Om laddningarna inte extraheras tillräckligt snabbt, kommer dock de exciterade laddningarna och dess energi att gå förlorad. Denna förlustmekanism kallas för rekombination.

I denna avhandling har fysiken bakom laddningsextraktion i tunna diodstrukturer, baserade på halvledare med låga mobiliteter, klargjorts. Denna teori har sedan tillämpats för att bättre förstå laddningsextraktionen i organiska solceller. Förutom förhållandet mellan laddningstransport och rekombination inom det aktiva lagret, är laddningsextraktionen i dessa system också väldigt känslig för bl. a. elektrodernas egenskaper. De teoretiska resultaten möjliggör nya metoder för att urskilja, identifiera och kvantifiera dominerande förlustmekanismer i organiska solceller. Med hjälp av dessa verktyg kan en djupare förståelse av de grundläggande processerna erhållas; denna förståelse är nödvändig för att vidare kunna optimera och öka prestandan i framtidens tunnfilmssolceller.

----------------------------------

Ohuisiin orgaanisiin puolijohdekalvoihin perustuvat aurinkokennot ovat houkutteleva vaihtoehto tuleville energiateknologioille, koska ne mahdollistavat ympäristöystävällisen ja kestävän energiantuotannon. Orgaanisilla aurinkokennoilla on tällä hetkellä kuitenkin alhainen hyötysuhde. Hyötysuhteen lisäämiseksi on tärkeää ymmärtää suorituskykyä rajoittavien tekijöiden taustalla oleva fysiikka.

Orgaaniset aurinkokennot ovat diodeja, jotka koostuvat ohuesta, valoa absorboivasta orgaanisesta puolijohdekerroksesta, joka on kahden sähköä johtavan elektrodin välissä. Puolijohteen sähkönjohtokyky määräytyy sähkövarausten liikkuvuudesta kyseisessä materiaalissa. Moniin muihin puolijohteisiin verrattuna orgaanisten puolijohteiden liikkuvuus on usein hyvin matala. Valaistuksen aikana puolijohdekerroksen sisällä syntyy virittyneitä sähkövarauksia. Kun nämä varaukset kerätään elektrodien kautta ulkoiseen virtapiiriin, syntyy sähkövirta ja energiaa voidaan ottaa talteen. Jos sähkövarausten keräys ei tapahdu riittävän nopeasti, virittyneet varaukset ja niiden energia menetetään. Tätä häviämismekanismia kutsutaan rekombinaatioksi.

Tässä väitöskirjassa sähkövarausten keräystä niissä puolijohdediodeissa, joiden sähkövarausten liikkuvuus on matala, on selkeytetty. Tätä teoriaa soveltaen sähkövarausten keräystä orgaanisissa aurinkokennoissa voidaan ymmärtää paremmin. Näitä teoreettisia tuloksia voidaan käyttää erottamaan, tunnistamaan ja kvantifioimaan määrääviä häviämismekanismeja orgaanisissa aurinkokennoissa. Nämä työkalut mahdollistavat syvällisemmän ymmärryksen perusprosesseista, joka on välttämätön tulevaisuuden ohutkalvokennojen suorituskyvyn optimoimiseksi ja tehostamiseksi.