Hybridsolarzellen haben Anwendungen in flexibler Elektronik und tragbaren Geräten
Nov 03, 2018

Das Verständnis der Auswirkungen von Oberflächendefekten unterstützt die verbesserte Effizienz von organischen / anorganischen Hybridsolarzellen.

               Hybridsolarzellen nutzen eine Grenzfläche aus organischen und anorganischen Materialien, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Zinkoxid (ZnO) ist eine beliebte Wahl für das anorganische Material, da es billig, ungiftig und leicht verfügbar ist.

Die Umwandlungseffizienz von Hybridsolarzellen unter Verwendung von ZnO / organischen Donor-Bulk-Heteroübergängen ist derzeit jedoch sehr niedrig - nur 2 Prozent, wenn ZnO in ein organisches Donormaterial eingemischt wird. Andererseits wurde eine ansehnliche Effizienz von 6,1 Prozent erreicht, wenn ZnO als Schicht zwischen einer Elektrode und einer Schicht aus Polymer oder niedermolekularen Akzeptoren verwendet wird.

Jean-Luc Bredas vom KAUST Solar & Photovoltaics Engineering Research Center und sein Kollege Hong Li vermuten, dass intrinsische Defekte bei ZnO ein Schlüsselfaktor für die schlechte Leistung sind. Durch den Vergleich der Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften verschiedener Hybridmaterialien gelangten sie zu dem Schluss, dass Zinkleerstellen die Umwandlungseffizienz verringern, indem sie den Ladungstrennungsprozess an der Grenzfläche zwischen organischen und anorganischen Materialien behindern.

Es ist allgemein bekannt, dass ZnO in Abhängigkeit von der Art des verwendeten organischen Materials und der verwendeten Architektur unterschiedliche Rollen in Bulk-Heteroübergängen einnimmt. Wenn es mit Polymeren oder kleinmolekularen Donatoren wie Sexithienyl gemischt wird, übernimmt ZnO die Rolle eines Elektronenakzeptors: Es nimmt Elektronen auf oder "akzeptiert" sie und hinterlässt positiv geladene Löcher in einer Sexithienylschicht.

Wenn es sich zwischen einer Elektrode und einer Fulleren-Akzeptor-Schicht befindet, hilft ZnO, die Elektronen von der Fulleren-Schicht zur Elektrode zu übertragen. Diese Prozesse ermöglichen die effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität.

Die Forscher untersuchten anhand von Computersimulationen, wie sich Zinkleerstellen an der Oberfläche von Zinkoxid auf diese beiden Prozesse auswirken. Beim ZnO / Sexithienyl-Bulk-Heteroübergang können Zinkleerstellen an der ZnO-Oberfläche den lokalen Ladungstransfer an der ZnO / Sexithienyl-Grenzfläche behindern und eine effiziente Ladungstrennung aufgrund starker Coulomb-Wechselwirkungen verhindern. Für die ZnO / Fulleren-Schnittstelle wirken sich solche Vakanzen jedoch nicht wesentlich auf den Ladungsübertragungsprozess aus.

Aus diesen Gründen sind die bisher entwickelten ZnO / organischen Heteroübergänge ineffizient. Im Vergleich dazu haben Zinkleerstände einen deutlich höheren negativen Einfluss auf ZnO / Sexithienyl als auf die ZnO / Fulleren-Grenzflächen. Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von Hybridsolarzellen, die Anwendungen in flexibler Elektronik und tragbaren Geräten haben.

„Wir haben aus unseren Untersuchungen gelernt, inwieweit Defekte an der Oberfläche von leitenden Metalloxiden wie ZnO die elektronischen Eigenschaften und letztendlich die Effizienz der Geräte bestimmen“, sagte Bredas. Er schlug vor, die Ergebnisse zeigen mögliche Wege auf, die Effizienz von Solarzellen durch Oberflächenmodifikationen zu verbessern.

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