Photoexcitation dynamics in organic solar cell donor/acceptor systems

Solceller presenteras ofta som ett miljövänligt alternativ för energiproduktion. Det största hindret för en bredare ibruktagning av kiselbaserade solceller är deras höga pris. I och med upptäckten av ledande och halvledande organiska (kolbaserade) molekyler och polymerer har ett nytt forskningsområde, organisk elektronik, vuxit fram. Den stora fördelen med organisk elektronik är att de använda materialen oftast är lösliga. Tillverkning av elektroniska komponenter kan då göras med hjälp av konventionella trycktekniker där bläcket ersatts med upplösta organiska material. Detta har potential att betydligt sänka priset för solceller.
Nackdelen med organisk elektronik är att de använda materialen är komplexa, och de fysikaliska processerna i dem likaså. I min avhandling har jag studerat fotofysiken i två polymerer, P3HT och APFO3, som kan användas för att tillverka organiska solceller. Blandade med fullerenderivatet PCBM, som är en stark elektronacceptor, fås ett material som effektivt producerar elektroner och hål under belysning. I praktiken bidrar dock inte alla skapade laddningar till strömmen ur solcellen. Elektronerna och hålen kan förbli bundna till varandra i olika exciterade tillstånd, och även de som är fria kan träffa på motsatta laddningar under vägen till kontakterna och rekombinera.
Centralt i mitt arbete har varit att identifiera olika typer av exciterade tillstånd i dessa solcellsmaterial, samt att bestämma deras livstider och rekombination. Metoden för detta har varit s.k. fotoinducerad absorption, som mäter fotoexcitationernas absorptioner i infraröda våglängdsområdet. De två viktigaste resultaten som presenteras i avhandlingen är en ratekvationsmodell för fotoexcitationsdynamiken i APFO3 på ultrasnabba tidsskalor (femtosekund - microsekund) och bildandet av en rekombinationshämmande dipol vid gränsytan för P3HT och PCBM som följd av värmebehandling. Dessa resultat bidrar till förståelsen av de fotofysikaliska processerna i relaterade material.
Aurinkokennoja pidetään usein ympäristöystävällisenä vaihtoehtona sähköntuotantoa varten. Suurin este niiden yleistymiselle on piipohjaisten kennojen korkea hinta. Sähköä johtavien ja puolijohtavien orgaanisten (hiilipohjaisten) yhdisteiden löytymisen myötä orgaaninen elektroniikka on tieteenalana ollut vahvassa kasvussa. Orgaanisen elektroniikan suurin vahvuus on käytettyjen materiaalien liukenevuus, ja liuosten yhteensopivuus painotekniikoiden kanssa. Orgaanisia komponentteja voi täten valmistaa painamalla, mikä lupaa merkittävästi matalampia hintoja orgaanisille aurinkokennoille.
Orgaanisen elektroniikan haittapuolena on käytettyjen materiaalien epäjärjestys ja monimutkainen rakenne. Tämä heijastuu myös materiaalien valofysikaalisiin ominaisuuksiin. Väitöskirjassani olen tutkinut kahden aurinkokennoissa käytetyn polymeerin, APFO3:n ja P3HT:n valofysiikkaa. Yhdessä elektronin vastaanottajana toimivan fullereenijohdannaisen (PCBM) kanssa nämä materiaalit tuottavat tehokkasti elektroneja ja aukkoja (=positiivisia varauksia) valaistuna. Kaikki syntyneet varaukset eivät kuitenkaan osallistu aurinkokennon virran tuotantoon. Osa varauksista sitoutuvat toisiinsa muodostaen erilaisia ulkoisesti neutraaleja viritystiloja, ja osa vapaista varauksista törmäävät vastakkaisiin varauksiin matkalla kontakteille ja rekombinoivat (yhtyvät).
Keskeistä työssäni on ollut viritystilojen tunnistaminen edellä mainituissa aurinkokennomateriaaleissa, sekä viritystilojen ja varausten elinaikojen ja rekombinaation selvittäminen. Työkaluna olen käyttänyt valoindusoitua absorptiota, joka mittaa viritystilojen absorptiota infrapuna-aallonpituuksilla. Tärkeimmät tulokseni ovat viritystilojen dynamiikan mallintaminen APFO3:ssa ultranopealla aikaskaalalla (femtosekunti - mikrosekunti), sekä havainto rekombinaatiota ehkäisevien dipolien muodostumisesta P3HT:n ja PCBM:n rajapinnalle lämpökäsittelyn seurauksena. Nämä tulokset lisäävät ymmärrystä vastaavien materiaalien valofysiikasta.