Neue Einblicke in grundlegende Mechanismen von organischen Solarzellen
Die organische Photovoltaik ist ein sehr aktives Forschungsfeld, das sich als Teil des größeren Feldes der organischen Elektronik vor der Aufgabe steht, die Materialstruktur und die daraus resultierenden Eigenschaften zu verstehen. Forschung wird dazu beitragen, fortschrittliche organische Materialien zu entdecken, um verbesserte Solarzellen herzustellen, die leichter, billiger und flexibler sein werden und neue Möglichkeiten für Solarzellen und Elektronik schaffen. Während die Modellierung ein wichtiger Antrieb für die Gestaltung verbesserter Materialien ist, fehlt es noch an rechnerischen Werkzeugen, die die Längen- und die Zeitskalen in Bezug auf elektronische Prozesse in organischen Materialien überbrücken. Angesichts dieses Bedürfnisses haben die Forscher des Projekts BEST erfolgreich eine integrierte, multiskalige Modellierungsplattform entwickelt, die die grundlegenden elektronischen Prozesse in organischen Halbleitern genauer beschreibt. Ein wichtiges Projektziel bestand darin, zu erforschen, wie aktive Materialien, die typischerweise aus einer Mischung aus einem Elektron-Fulleren-basierten Akzeptor und einem polymerbasierten Elektronendonator bestehen, optisch angeregt werden und wie sich diese Anregung über die Moleküle ausbreitet und sich in getrennte Ladungen umwandelt, die Elektrizität generieren. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die elektronischen Zustände in löslichen Fullerenderivaten durch lokalisierte Ladungsträger bei Raumtemperatur gekennzeichnet sind, die hochenergetische Zustände aufrechterhalten. Durch die Erhöhung der Elektron-Loch-Abstände hilft die Delokalisierung von angeregten Zuständen, Energieverluste durch Ladungsrekombination zu reduzieren. Durch diesen Prozess wird die Effizienz von organischen Solarzellen stark begrenzt. Ein weiterer Teil der Untersuchungen im Rahmen von BEST konzentrierte sich auf den weitgehend unerforschten Mechanismus der Singulettspaltung in organischen Materialien. Solarzellen, die mit einem Singulettspaltmaterial sensibilisiert sind, können die Leistungsumwandlungseffizienz deutlich erhöhen. Durch die Kombination von Modellierung und zeitaufgelösten Spektroskopie-Messungen erhielt das Team einen weiteren Einblick in die komplexe elektronische Struktur und die angeregten Eigenschaften von Pentacen-Perfluorpentacen-Co-Kristallen. Der Mangel an Wissen über den molekularen Dotierungsmechanismus in organischen Halbleitern ist einer der Hauptfaktoren, die eine breitere Annahme von organischen Solarzellen behindern. Die Forscher schlugen ein allgemeines Modell für das Studium der molekularen Dotierung vor, das aus den Berechnungen des ersten Prinzips vollständig parametrisiert werden kann und die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in dotierten Halbleitern genauer beschreibt. Die theoretische und rechnerische Arbeit von BEST wird dazu beitragen, fortschrittliche organische Materialien für die Herstellung effizienterer Solarzellen zu entwickeln.
Schlüsselbegriffe
Organische Solarzellen, elektronische Prozesse, BEST, organische Halbleiter, Singulettspaltung
