Fabrication, optimization and characterization of ITO-free organic solar cells and modules for indoor applications

Abstract: Die Indoor-Photovoltaik hat aufgrund der rasanten Entwicklung des Internets der Dinge (Internet-of-Things, IoT) erhebliche Beachtung gefunden. Eine Vielzahl von dezentralen, mobilen Geräten mit geringem Stromverbrauch könnte von der Energieautarkie profitieren. Viele IoT Anwendungen finden sich im Innenraum, welcher typischerweise gut beleuchtet ist. Das vorliegende Lichtspektrum reicht von natürlichem Sonnenlicht bis Kunstlicht. Ebenfalls Kombinationen, abhängig vom Typ des Gebäudes oder vom Ort innerhalb dessen. Bedingt durch das schmale Emissionsspektrum künstlicher (energieeffizienter) Beleuchtung, können Thermalisierungs- und Nichtabsorptionsverluste sehr gering sein. So sind Wirkungsgrade von über 50% für Absorberbandlücken von etwa 1.9 eV unter 500 lx möglich.

Neuartige Photovoltaiktechnologien wie Organische-, Perowskit- und Farbstoffsolarzellen haben großes Potential optimal für die Verwendung im Innenraum angepasst werden zu können. Vielversprechend sind hier ebenfalls die potentiell kostengünstigen Verarbeitungsmethoden und die kurze (Energie-)Amortisationszeit. Das große Manko bis dato, die geringe Langzeitstabilität von Solarzellen dieser neuen Technologien, im Vergleich zu etablierten Technologien wie etwa kristallinem Silizium, spielt hier nur eine untergeordnete Rolle, da die Temperaturen im Innenraum eher gemäßigt sind und auch nur sehr geringe Dosen an UV-Licht vorhanden sind.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Optimierung organischer Solarzellen und -module für Innenraumanwendungen sowie die Analyse ihres Degradationsverhaltens unter (beschleunigten) Alterungsbedingungen beschrieben.

Die Wirkungsgradbestimmung von Solarzellen unter Kunstlichtbedingungen war bis zu Letzt nicht standardisiert. Daraus resultierte eine enorme Varianz bei der Veröffentlichung von Ergebnissen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein zuverlässiger Messaufbau für präzise Strom-Spannungsmessungen etabliert. Erst kürzlich wurde ein Standard für die Leistungsfeststellung unter Innenraumbeleuchtung mit LEDs vorgestellt. Mit der geringen Beleuchtungsstärke im Innenraum steigt die Bedeutung des Parallelwiderstand.

Diese Arbeit zeigt, wie sich der Parallelwiderstand auf die Leistung auswirkt und wie die Verwendung zusätzlicher niederleitender Fensterschichten dazu beiträgt, einen hohen Parallelwiderstand sicherzustellen. Speziell für Absorberschichten, mit nicht zu vernachlässigenden Beschichtungsdefekten (Pinholes) erhöht ein solcher Ansatz die Gesamtausbeute. Beispielsweise weist eine organische Solarzelle, die PV–X plus als aktive Schicht verwendet und bei der der Absorber zwischen einer 15 nm Zinkoxid und einer 30 nm HTL–X Schicht eingebettet ist, einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von etwa 13.53±4.72% auf im Vergleich zur Referenz ohne diese Schichten mit etwa 6.99±3.62% im Mittel. Die Maximalwerte sind in beiden Fällen vergleichbar.

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung organischer Solarzellen und -module auf Basis von Indiumzinnoxid-freien Architekturen und Absorbermaterialien, die aus nicht halogenierten Lösungsmitteln prozessiert werden können. Beide Aspekte sind für die großflächige Massenproduktion von Vorteil, da durch die Vermeidung seltener Elemente und weniger giftiger Lösungsmittel die Kosten und ökologischen Auswirkungen reduziert werden können.

Unter 500 lx einer kalt weißen LED konnte mit PM6:IO-4Cl, TPD-3F:IT-4F bzw. PV–X plus 22.3%, 19.1% bzw. 19.9% Effizienz auf kleiner Zellfläche von 0.1 cm2 erreicht werden.

Der höchste Wirkungsgrad wurde für ein Absorbermaterial mit einer Bandlücke nahe dem Optimum von 1.9 eV erhalten. Das sehr ähnliche Ergebnis für PV–X plus (1.4 eV) zeigt, dass andere Eigenschaften wie eine hohe externe Quanteneffizienz die ungeeignete Bandlücke ausgleichen können. Dies deutet darauf hin, dass organische Absorbermaterialien für die Lichtnutzung in Innenräumen noch nicht vollständig ist optimiert sind.

Auf 8.1 cm2 großen Modulen mit acht serienverschalteten Zellen konnten 17.3% bzw. 15% auf starren bzw. flexiblen Substraten gezeigt werden.

Die Langzeitanalyse von starren verkapselten organischen Solarzellen unter 500 lx und 50000 lx LED Licht zeigt für mehr als 16 Monate lang nahezu keine Verschlechterung. Flexible Exemplare zeigten nach 9000 h unter 50000 lx noch 90% der Anfangswerte. Unter erhöhten Temperaturen von 85 ◦C konnten 80% des Ausgangswertes für etwa 2500 h lang im Dunkeln

erhalten bleiben.

Die Eignung verschiedener Solarzellentechnologien für die Umwandlung von Innenraumlicht wurde analysiert. Dafür wurden Solarzellen nach aktuellstem Forschungsstand aus verschieden Arbeitsgruppen zusammengetragen und in oben genanntem Messaufbau unter identischen Bedingungen vermessen. Wie erwartet, ist für die Maximierung des Wirkungsgrads ein Absorber mit adäquater Bandlücke unabdingbar, so konnte etwa 40%, der mit einer Galliumindiumphosphid-Zelle erreicht werden. Mit neuartigen Photovoltaik-Technologien konnten Wirkungsgrade zwischen 17 (Farbstoff) und 26% (Perowskit) erreicht werden
Abstract: Indoor photovoltaics has gained much attention recently with the rapid development of the internet-of-things (IoT), where a lot of decentral, mobile, low power devices would profit from energy autarky. Indoor light harvesting is of special interest, because a big fraction of IoT is located indoors where typically always or at least periodically, (artificial) light is available. With the narrow illumination spectrum of artificial lighting, thermalization and non-absorption losses can be very low. Thus, efficiencies of more than 50% with band gaps of about 1.9 eV are possible at dim light conditions such as 500 lx.

Emerging photovoltaics such as organic, perovskite and dye-sensitized solar cells, have shown great promise in this area due to their ability to be optimized for indoor use and their potentially low-cost processing methods and short energy payback time. The drawback of poorer long-term stability, which is still a major issue in these emerging technologies compared to a mature technology such as crystalline silicon, is less relevant under indoor conditions which are typically rather mild, i.e. moderate temperatures and humidities, and almost no UV radiation.

This thesis focuses on the development and optimization of organic solar cells and modules for indoor applications as well as the analysis of their degradation behavior under (accelerated) aging conditions.

Bench marking solar cells under indoor condition was non-standardized at the beginning and during the time frame of this work. Enormous variations when reporting performances are a result and as an initial step of this work, a reliable measurement setup for accurate current-voltage characterization was established. Only recently a standard for performance determination under indoor light with LEDs was presented.

Accompanied with the dim indoor illumination, is the increased relevance of achieving a larger parallel resistance (about three orders of magnitude larger as for outdoor applications). This thesis shows how the parallel resistance affects the performance and that the incorporation of additional low conductive window layers contributes to ensure a high parallel resistance. Especially for absorber materials with a higher pinhole density such an approach increases the total yield.

For instance, a PV–X plus solar cell, when the absorber is sandwiched between a 15 nm zinc oxide layer and a 30 nm HTL–X layer, demonstrates an efficiency of 13.53±4.72%. This is notably higher than the average efficiency of 6.99±3.62% observed in the reference cell without additional buffer layers.

Further emphasis was put on the development and optimization of organic solar cells and modules based on indium tin oxide free architectures and absorber materials which are processable from non-halogenated solvents. Both aspects are beneficial for large area mass production, as avoiding rare elements and less toxic solvents reduce cost and ecological impact.

With PM6:IO-4Cl, TPD-3F:IT-4F and PV–X plus efficiencies of 22.3%, 19.1% and 19.9%, respectively were achieved under 500 lx cold white LED on small area of 0.1 cm2. The highest efficiency was obtained for an absorber material with a band gap close to the optimum of 1.9 eV. The very similar result for PV–X plus (1.4 eV) shows that other properties such as a high external quantum efficiency can balance the inappropriate band gap, which points towards not yet fully optimized organic absorber materials for indoor light harvesting.

On 8.1 cm2 modules with eight interconnected cells 17.3% and 15% could be presented on rigid and flexible substrates, respectively.

Long-term analysis of rigid encapsulated organic solar cells under 500 lx and 50000 lx LED light showed almost no degradation for more than 16 months in ambient conditions. On fully flexible devices after 9000 h under 50000 lx still 90% are maintained. Under elevated temperatures of 85 ◦C, 80% of the initial value could be preserved for about 2500 h in the dark.

The appropriateness of different solar cell technologies for indoor light harvesting was analyzed in a comparative study of state-of-the-art devices from eight different technologies. The importance of an adequate band gap for maximizing the efficiency was obvious, e.g. about 40% could be achieved with a gallium indium phosphide device. Emerging photovoltaics reached efficiencies between 17 (dye-sensitized) and 25% (perovskite) and surpassed their performance under sunlight (AM1.5G)

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Elektrotechnik, Elektronik
• Schlagwort: Solarzelle ; Silicium ; Fotovoltaik ; Organische Solarzelle ; Dünnschichtsolarzelle ; Passivierung

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2024
• Urheber: Müller, David
• Beteiligte Personen und Organisationen: Glunz, Stefan ; Glunz, Stefan ; Ackermann, Jörg ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/249480
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2494806
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:44 MEZ