Influence of Morphological and Structural Properties on Organic Photovoltaic Cells

Abstract

Organische Halbleiter finden Verwendung in verschiedenen optoelektronischen Bauelementen, die interessante Alternativen und Ergänzungen zu herkömmlichen anorganischen Bauelementen darstellen. Insbesondere bei organischen Solarzellen spielt die Struktur und Morphologie der aktiven Schicht eine wichtige Rolle für die Effizienz. Grundsätzlich sind mindestens zwei organische Halbleiter notwendig, die entweder in einer planaren Struktur (sprich Material A auf Material B) oder in einer Mischung vorliegen müssen. Im Rahmen dieser Promotion wurde die Struktur von dünnen Filmen aus Materialien, die bereits erfolgreich für organische Solarzellen eingesetzt wurden, untersucht, namentlich Sexithiophen (6T), Diindenoperylene (DIP) und Buckminsterfulleren C60. Reine Filme, planare Strukturen und Mischungen wurden per organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) hergestellt und die Struktur der Filme wurde hauptsächlich mittels Röntgenstreuexperimenten direkt während des Wachstums in Echtzeit untersucht, um auch vorübergehende Effekte erfassen zu können. Beim Wachstum von 6T wurde gezeigt, dass zwei unterschiedliche Kristallstrukturen konkurrieren, wobei die eine, eher ungeordnete $\beta$-Struktur in der Nähe des Substrats dominiert, wohingegen ab einer bestimmten Filmdicke die andere LT-Struktur (vom Englischen: "low-temperature single crystal structure") überwiegt. Die Substrattemperatur während des Wachstums kann dafür genutzt werden, entweder die BETA-Struktur (bei einer Substrattemperatur um ca. 300 K) beziehungsweise die LT-Struktur (bei einer Substrattemperatur um ca 370 K) zu fördern. Durch Tempern von Filmen, die bei 300 K hergestellt wurden (hauptsächlich BETA-Struktur), ist es möglich die Kristallinität deutlich zu verbessern und die BETA-Kristallite in solche der LT-Struktur umzuwandeln. Bei Mischungen von 6T und C60 haben wir herausgefunden, dass C60 einen wichtigen Einfluss auf die Struktur des 6Ts (in der Mischung) hat. Bei Anwesenheit von C60 ist jeweils die Struktur noch stärker ausgeprägt, die ohnehin schon dominiert sogar in so einem Maße, dass die unterdrückte Struktur nahezu nicht mehr vorhanden ist. Bei hoher Substrattemperatur wurde dabei eine Umwandlung der BETA-Struktur in die LT-Struktur während des Wachstums beobachtet. Dafür ist vermutlich C60 verantwortlich, das dem 6T zusätzliche Energie zur Verfügung stellt, damit dieses eine Energiebarriere überwinden kann um in die energetisch stabilere LT-Struktur überzugehen. Interessanterweise hat das Tempern dieser Filme im untersuchten Bereich (ähnlich zu dem für reine 6T Filme) keinen Einfluss auf die Struktur. Wenn C60 oder DIP auf einer Unterlage von 6T gewachsen wird, ist ein starker Templateeffekt zu beobachten. So passt sich die Kristallitgröße von C60 und DIP an die des 6T an. Außerdem verbessert sich die Kristallinität von C60 deutlich im Vergleich zu dem Wachstum auf reinem Siliziumoxid. Für das DIP haben wir außerdem noch eine Anpassung der relativen Orientierung der Moleküle (liegende oder stehende Ausrichtung) an die Orientierung der 6T Moleküle beobachtet. Überraschend war der Effekt, dass sich die Struktur des fertig gewachsenen 6T Films während der Abscheidung des zweiten Materials geändert hat, sprich sowohl C60 als auch DIP haben die Struktur des 6T verändert. Daraus lässt sich schließen, dass jeder einzelne Prozessschritt einen wichtigen Einfluss auf die Struktur, auch von bereits gefertigten Schichten, haben kann. Für das Mischungssystem aus DIP und C60 wurden nahezu alle Parameter untersucht, die verwendet werden können um die Struktur der Filme einzustellen. Bei Mischungen, die in organischen Solarzellen zum Einsatz kommen, ist vor allem das Maß der Phasenseparation relevant. Bis zu einer gewissen Längenskala, nämlich der Exzitonendiffusionslänge gilt: je größer, desto besser. Wir haben Methoden untersucht um diese Phasenseparation zu kontrollieren. Der wichtigste Parameter dabei ist die Substrattemperatur. Hohe Substrattemperaturen sorgen für ein höheres Maß an Entmischung. Ähnliche Effekte lassen sich aber auch durch Verringern der Aufdampfrate oder durch wiederholtes Unterbrechen und Wiederaufnehmen des Verdampfens erreichen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Genauso kann der Einsatz von dünnen organischen Schichten zwischen Substrat und Mischung einen positiven Einfluss auf den Entmischungsgrad haben. Bei Mischungen aus DIP und C60 wurde auch eine Wachstumsart gefunden, die sehr nahe am perfekten Lage-für-Lage-Wachstum ist, was in sehr glatten Oberflächen resultiert. Die Erkenntnisse, die über das Wachstum von planaren Strukturen und Mischungen organischer Halbleiter gefunden wurden, sind am Ende dieser Arbeit zusammengefasst. Außerdem werden Vorschläge gemacht, wie die Struktur speziell kontrolliert werden kann um die Effizienzen der einzelnen Prozessschritte, die bei der Umwandlung von Licht in freie Ladungsträger in organischen Solarzellen ablaufen, optimiert werden können.