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Title
Organic tandem solar cells with water-free-processable recombination layers
Additional Titles
Organic tandem solar cells with water-free-processable recombination layers
AuthorSteiner, Sandra
PublishedGraz, 2017
Institutional NoteKarl-Franzens-Universität Graz, Masterarbeit, 2017
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Abweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der Verfasserin
Document typeMaster Thesis
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-118498 Persistent Identifier (URN)
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Organic tandem solar cells with water-free-processable recombination layers [2.68 mb]
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Abstract (German)

Organische Photovoltaik (OPV) wandelt die Sonnenenergie in elektrische Energie unter Verwendung von organischen Absorbermaterialen (z.B.: konjugierte Polymere, niedermolekulare Verbindungen) um. Organische Tandemsolarzellen bieten eine Möglichkeit um die Effizienzen einzelner Solarzellen zu übersteigen, indem zwei Solarzellen in Serie (oder parallel) geschalten werden. Eine Serienverbindung ermöglicht die Addition der individuellen Leerlaufspannungen (VOC) wobei die Rekombinationsschicht oder auch "interconnecting layer" (ICL) eine wichtige Rolle zwischen den beiden Subzellen spielt. Daher wurde der Fokus auf das Finden einer geeigneten Rekombinationschicht für eine Homo-Tandemsolarzelle, basierend auf zwei identen Polymer:Fulleren-Aktivschichten in beiden Subzellen, gelegt. Die anfangs verwendete ICL basierte auf Aluminium und Molybdäntrioxid. Die Schichtdicke von MoO3 wurde fixiert während die Schichtdicke von Al variiert wurde. Für jede Schichtdicke von Al wurden die Subzellenschichtdicken neu optimiert. Die ICL mit 3 nm Al in Kombination mit 15 nm MoO3 erzielte die höchsten Spannungen mit 1.70 V (vordere/hintere Schichtdicke = 46 nm/80 nm) und die höchsten Effizienzen mit 5.20% (vordere/hintere Schichtdicke = 55 nm/83 nm). Die individuellen Subzellenspannungen wurden erfolgreich addiert (VOC,single 0.80-0.90 V). Jedoch konnten die Effizienzen der Einzelzellen nicht überboten werden (PCEsingle 5.30-5.90%). Da die maximale Leistung für die Al/MoO3 ICL erreicht wurde, wurden andere ICLs getestet, wobei Al durch andere Metalle, wie Ag, Au, Cu, Ti und Zn ersetzt wurde. Vielversprechende Ergebnisse wurden mit einer Zn/MoO3 Rekombinationsschicht erreicht, welche Spannungen von bis zu 1.76 V und eine Effizienz von 4.60% erreichte. Die Solarzellen und Solarzellenmaterialien wurden anhand von Strom-Spannungskurven (IV-Kurven), UV-Vis Absorptionsspektren, Profilometrie und mit der Messung der externen Quanteneffizienz (EQE) charakterisiert.

Abstract (English)

Organic photovoltaics (OPV) convert solar energy into electrical energy by using an absorber material consisting of organic materials (e.g. polymers, small molecules). Organic tandem solar cells offer a possibility of surpassing the power conversion efficiency (PCE) of single junction solar cells by stacking two solar cells in series (or parallel). A series connection enables the addition of the individual open circuit voltages (VOC). The recombination layer or interconnecting layer (ICL) plays a key role in the tandem setup. Therefore, the focus in this work was on finding a good recombination layer for a "homo" tandem solar cell which means that the same polymer:fullerene active layers are used in both subcells. The ICL applied at first was an aluminum/molybdenum trioxide (Al/MoO3) layer. The MoO3 thickness was fixed while the Al thickness was varied. Each time the Al thickness was varied, the subcell thicknesses were also changed individually for finding the best performing solar cells for each interlayer. The ICL using 3 nm Al in combination with 15 nm MoO3 showed highest results in VOC and PCE. The highest VOC (1.70 V) was reached with earlier mentioned ICL and a front/back subcell thickness of 46 nm/80 nm while highest efficiency (5.20%) was reached with front/back subcell thickness of 55 nm/83 nm. It was possible to successfully add up individual subcell voltages (VOC,single cell 0.80-0.90 V), however, the efficiencies of the single cells could not be surpassed with the tandem approach (PCEsingle cell 5.30-5.90%). Other ICLs using metals such as Ag, Au, Cu, Ti and Zn instead of Al were also tested. Promising results were achieved with a Zn/MoO3 recombination layer surpassing the previous VOC by yielding 1.76 V and an efficiency of 4.60%. The solar cells and solar cell materials were characterized by recording current-voltage curves (IV-curves), UV-Vis absorption spectroscopy, surface profilometry and also by external quantum efficiency (EQE) measurement.