Procesy fizyczne warunkujące trwałość i sprawność energetyczną polimerowych ogniw słonecznych

W niniejszej rozprawie doktorskiej przedstawiono badania procesów fizycznych zachodzącym w polimerowych ogniwach słonecznych, mające na celu poprawę stabilności i wydajności ogniw fotowoltaicznych. Polimerowe ogniwa słoneczne należą do trzeciej generacji ogniw fotowoltaicznych. Mimo wielu ich zalet, jak łatwość wytwarzania i niskie koszty produkcji, ogniwa te nadal wymagają ważnych udoskonaleń. Przede wszystkim polimerowe ogniwa mają niższą sprawność niż ogniwa krzemowe. Dodatkowo, niektóre używane w nich materiały mają zbyt duże tempo degradacji. Te dwa problemy, ich przyczyny i sposoby przeciwdziałania są głównymi tematami poruszanymi w tej rozprawie doktorskiej. Duży nacisk położono na absorpcję światła, która jest pierwszym etapem zamiany energii świetlnej na elektryczną. Stosowane materiały o różnych pasmach absorpcyjnych. Duża cześć pracy poświęcona została badaniom trójskładnikowej warstwy aktywnej PBDB-T-2F:BTP-4Cl-12:PC70BM zawierającej dwa rodzaje akceptorów (pochodną fullerenową oraz akceptor niefullerenowy), co znacząco zwiększa generowany fotoprąd. Materiały były dobierane tak, aby ich pasma absorpcji pokryły optymalnie zakres spektralny. Zoptymalizowano ogólną zawartość obu akceptorów w badanej trójskładnikowej warstwie aktywnej. W trakcie prac udało się uzyskać sprawności ogniw nawet 9,2%. Sprawność ogniwa zależy od efektywności rozdzielania ładunków, a ta od wzajemnego ułożenia poziomów kwantowych materiałów tworzących złącze. Szukając optymalnych parametrów przebadano szereg nowych pochodnych fullerenów C60 i C70. Najlepsze rezultaty osiągnięto dla indenowych pochodnych fullerenowych, a najwyższą sprawność dla grupy heksylowej (C70-IPH). Zaobserwowano, na przykład, wyższe napięcia będącego wynikiem wyżej położonego poziomu LUMO w C70-IPH. Stabilność próbek z indenowymi pochodnymi fullerenowymi były identyczne z uzyskiwanymi dla komercyjnie dostępnej pochodnej PCBM. Większość badań prowadzonych było dla ogniw w konfiguracji prostej, jednak wykonano też ogniwa w konfiguracji odwróconej. Ogniwa takie mają teoretycznie wyższą stabilność oraz możliwość zastosowania w ogniwach tandemowych. Przebadano szereg warstw blokujących dziury ETL: ZnO w różnych odmianach oraz TiOx. Ponadto, dla warstw aktywnych PTB7-Th:PC70BM i PBDB-T-2F:BTP-4Cl-12 dokonano optymalizacji temperatury wygrzewania, która ma ogromny wpływ zarówno na wydajność (porządkowanie separacji faz), jak i w stabilność ogniw Dla próbek PTB7-Th:PC70BM znacząco poprawiono stabilność zwiększając czas degradacji T50 z około jednego roku dla próbki niewygrzanej do 9 - 22 lat dla próbek wygrzanych.

This PhD thesis presents research on the physical processes occurring in polymer solar cells, aimed at improving the stability and efficiency of photovoltaic cells. Polymer solar cells belong to the third generation of photovoltaic cells. Despite their advantages, such as ease of manufacturing and low production costs, polymer solar cells still require important improvements. First of all, polymer cells have lower efficiency than silicon cells. Additionally, some of the materials used in them have high degradation rate. These two problems, their causes and ways of counteracting them are the main topics discussed in this PhD thesis. Great emphasis was placed on light absorption, which is the first stage of converting light energy into electricity. Materials with different absorption bands were used. A large part of the work was devoted to the study of ternary active layer PBDB-T-2F:BTP-4Cl-12:PC70BM containing two types of acceptors (a fullerene derivative and a non-fullerene acceptor), which significantly increases the generated photocurrent. The semiconductor materials were selected so that their absorption range optimally covered the solar spectral range. The total content of both acceptors in the tested ternary active layer was optimized. During the work, cell efficiency of up to 9.2% was achieved. The efficiency of the cell depends on the charge separation yield, which is influenced by arrangement of quantum levels of the materials forming the junction. Searching for optimal parameters, a number of new C60 and C70 fullerene derivatives were tested. The best results were achieved for indene fullerene derivatives, and the highest efficiency for the hexyl group (C70-IPH). Higher voltages were observed resulting from the higher LUMO level in C70-IPH. The stability of samples with indene fullerene derivatives was identical to that obtained for the commercially available PCBM derivative. Most of the research was conducted on cells in a standard configuration, but also cells in an inverted configuration were investigated. Such cells have theoretically higher stability and can be used in tandem cells. A number of ETL hole-blocking layers were tested: ZnO in various varieties and TiOx. Moreover, for the active layers PTB7-Th:PC70BM and PBDB-T-2F:BTP-4Cl-12, the annealing temperature was optimized, which has a huge impact on both the efficiency (order of phase separation) and the stability of the cells. For PTB7-Th:PC70BM samples stability was significantly improved by increasing the T50 degradation time from approximately one year for the unheated sample to 9-22 years for the heated samples.