Spectroscopic Investigation of Film Formation and Aggregation in Organic Solar Cell Materials

Titelangaben

Hazem, Bakr:
Spectroscopic Investigation of Film Formation and Aggregation in Organic Solar Cell Materials.
Bayreuth , 2023 . - xviii, 171 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006973

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Abstract

Photovoltaic technology used to convert renewable solar energy to electricity by means of solar cells is considered one of the most important technologies in today’s world. This importance stems from the rapid increase in the world’s electricity demands. Research in the field of solar cells went through several developments during the past decades in relation to the materials used to manufacture such devices. A big part of these developments was focused on the search for more efficient materials in terms of the solar cells power conversion efficiency and manufacturing costs. One class of such materials are organic semiconductors. The main advantage of organic semiconductors is that they can be processed from solutions. This would allow for large scale and high output manufacturing processes with low energy demands and production costs compared to conventional silicon based solar cells. However, one big challenge to overcome when developing efficient solar cells using organic materials is the disordered nature of such materials. This disordered nature –compared to the more ordered inorganic counterparts- makes it difficult to control their structural properties when solution processed into thin film solar cells. Hence, it is crucial to develop clear structure property relationships in order to have better control of the thin film properties during fabrication of organic solar cells to achieve high efficiency devices.

Within my thesis, I investigate how to better understand the physics of film formation of organic materials processed from solutions. I aim to understand the relation between the different solution processing conditions and the resulting film properties. I also try to draw a correlation between the structural properties of the resulting organic materials films and their solar cell performance.

Organic solar cells usually consist of a blend of two or more organic materials such as π-conjugated polymers, oligomers and fullerenes. π-conjugated polymers usually adopt a semi-crystalline structure consisting of disordered and more ordered polymer chains. The more ordered polymer chains often exhibit electrostatic inter-chain interactions and those chains are referred to as aggregates. The properties of these aggregates usually affect the optoelectronic properties of organic materials hence influencing organic solar cell performance. It is important then to understand how the aggregate properties change in response to different conditions during fabrication of organic solar cells. Blending results in changes in the structural properties of the constituent materials, compared to their neat state, which alters the aggregate properties of organic materials. In chapter 3, I focus on induced structural changes of PCE11 as a model π-conjugated donor polymer that is used to fabricate organic solar cells with > 10% efficiencies. By a combination of temperature dependent optical spectroscopy and Raman spectroscopy, I investigate how the addition of an extra material to PCE11 affects its structural and aggregate properties. By detailed analysis of the PCE11’s optical spectra both in the neat and blend states, I quantify changes appearing in the spectra in these two cases and relate them in structural changes of PCE11. I conclude that blending results in a more planarized, longer conjugated PCE11 chains with a reduced degree of inter-chain molecular coupling.

However, studying on the resulting final films of organic materials or blends does not offer a complete picture about their film formation process. To be able to study such film formation processes, insitu optical spectroscopy is an invaluable technique. In chapter 4, I try to provide a general picture on the film formation dynamics of solution processed conjugated polymers. In this chapter, I focus on the film formation of solution processed P3HT films. Although P3HT does not offer the best device performance, it has been intensively investigated for application in organic solar cells, and it is a model material with well-understood photophysical properties. By careful choice and control of the solution processing conditions and detailed analysis of the measured in-situ optical spectra during P3HT film formation, I propose general guidelines to explain the different aggregation pathways that affect the final aggregate properties in the formed film. I concluded that the aggregate formation in conjugated donor polymers during their solution processing into thin films proceeds through one of two routes. The aggregate formation proceeds either via a 2-step route where aggregates from in solution before solvent evaporation or via a 1-step route where aggregates only form upon sufficient solvent evaporation at high polymer concentration. The route followed during the film formation determines the aggregate properties of the resulting final film. Aggregates formed following a 2-step route are characterized by a more planar, more ordered structure while aggregates formed following a 1-step route are characterized by a less planar, and less ordered structure.

In chapter 5, I turn my focus towards the other half of an organic blend used in organic solar cells, which is the acceptor material. In this chapter, I investigate the aggregation properties of two novel side chain polymers based on an inert polystyrene backbone and two different PDI chromophores. These two polymers, namely PPBI-alkyl and PPBI-OEG, have slightly different side chain chemical structures that affects their structural and aggregation properties in solution. Their structure offers a unique approach to control the overall polymer’s aggregation properties by manipulating the conformation properties of the polymer backbone. Using steady state and time resolved optical spectroscopy; I investigate how minor changes in the side chain structure of these PDIs influence the overall polymer aggregation properties in solutions as a function of solvent properties. I show that it is possible to control the electronic interaction between the PDI chromophores by controlling the conformation of the inert polymer backbone and the arrangement of the PDI chromophores around the backbone. The degree of solubility of the polymer’s backbone controls the backbone conformation while the solvent polarity affects the arrangement of PDI chromophores around the backbone depending on the attached side chain. The interplay between the solvation and polarity may allow for tuning the aggregation of the material towards the desired properties.

Finally, in chapter 6, I try to correlate between the film formation and aggregation properties of organic materials and blends during their solution processing into films and their performance in organic solar cells. By characterizing the film formation dynamics in such blends using insitu optical spectroscopy and their solar cell performance, I aim to determine what spectral features correspond to a better solar cell performance. I then try to infer the underlying structural origins that corresponds to this better performance. This would enable one to rationally choose material systems that provide optimum morphology for enhanced solar cell performance rather than following a trial-and-error approach. I have shown that it is possible a priori to predict the viability of an organic blend to be used to fabricate efficient solar cells. By means of tracking the insitu optical spectra during film formation of different organic blends, one can gain information about the intermixing of domains between materials used in such blends. The reduction of the PL intensity over a long time after film formation indicated further formation of interfaces between the blend materials, which offers a more favorable morphology for efficient organic solar cells. This favorable morphology enhanced the charge generation efficiency of the investigated devices and resulted in better overall device efficiencies. Based on this knowledge, I was able to fabricate ternary organic solar cells with the optimum blend composition that resulted in 30% better power conversion efficiency compared to the binary solar cells.

Overall, my work shows that it is possible to extract valuable information about film formation of organic materials processed from solutions relying mainly on insitu optical spectroscopy. My work offers a general picture about the relationship between the solution processing conditions, the resulting aggregate properties and the corresponding solar cell performance. This work lays the ground towards achieving targeted solution processing of organic blend films for efficient organic solar cells.

Abstract in weiterer Sprache

Die Photovoltaik-Technologie, mit der erneuerbare Sonnenenergie mittels Solarzellen in Strom umgewandelt wird, gilt als eine der wichtigsten Technologien der heutigen Zeit. Diese Bedeutung ergibt sich aus dem raschen Anstieg des weltweiten Strombedarfs. Die Forschung auf dem Gebiet der Solarzellen hat in den letzten Jahrzehnten mehrere Entwicklungen bei dem für die Herstellung solcher Geräte verwendeten Materialien durchlaufen. Ein großer Teil dieser Entwicklungen konzentrierte sich auf die Suche nach effizienteren Materialien im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Solarzellen und die Herstellungskosten. Eines dieser Materialklassen sind organische Halbleiter. Der Hauptvorteil organischer Halbleiter besteht darin, dass sie als Lösungen verarbeitet werden können. Dies würde Herstellungsverfahren in großem Maßstab und mit hoher Produktion Volumen bei geringem Energiebedarf und niedrigen Produktionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis ermöglichen. Eine große Herausforderung, die es bei der Entwicklung effizienter Solarzellen aus organischen Materialien zu überwinden gilt, ist jedoch die ungeordnete Natur dieser Materialien. Diese Unordnung - im Vergleich zu den geordneteren anorganischen Gegenstücken - erschwert die Kontrolle ihrer strukturellen Eigenschaften bei der Verarbeitung in Dünnschichtsolarzellen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, klare Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu entwickeln, um die Dünnschichteigenschaften bei der Herstellung von organischen Solarzellen besser kontrollieren zu können und so hocheffiziente Zellen zu erhalten.

In meiner Dissertation untersuche ich, wie man die Physik der Filmbildung von organischen Materialien, die aus Lösungen prozessiert werden, besser verstehen kann. Ich möchte die Beziehung zwischen den verschiedenen Konditionen der Lösungsverarbeitung und den resultierenden Filmeigenschaften verstehen. Außerdem versuche ich, einen Zusammenhang zwischen den strukturellen Eigenschaften der entstehenden Filme aus organischen Materialien und ihrer Solarzellenleistung herzustellen.

Organische Solarzellen bestehen in der Regel aus einer Mischung von zwei oder mehr organischen Materialien wie π-konjugierten Polymeren, Oligomeren und Fullerenen. π-konjugierte Polymere haben in der Regel eine teilkristalline Struktur, die aus ungeordneten und geordneteren Polymerketten besteht. Die stärker geordneten Polymerketten weisen häufig elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Ketten auf, und diese Ketten werden als Aggregate bezeichnet. Die Eigenschaften dieser Aggregate wirken sich in der Regel auf die optoelektronischen Eigenschaften der organischen Materialien aus und beeinflussen somit die Leistung organischer Solarzellen. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie sich die Aggregateigenschaften als Reaktion auf verschiedene Bedingungen während der Herstellung organischer Solarzellen verändern. Das Mischen führt zu Veränderungen der strukturellen Eigenschaften der einzelnen Materialien im Vergleich zu ihrem reinen Zustand, was die Aggregateigenschaften organischer Materialien verändert. In Kapitel 3 konzentriere ich mich auf die induzierten strukturellen Veränderungen von PCE11, einem π-konjugierten Donor polymer, das zur Herstellung von organischen Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 10 % verwendet wird. Durch eine Kombination aus temperaturabhängiger optischer Spektroskopie und Raman-Spektroskopie untersuche ich, wie sich die Zugabe eines zusätzlichen Materials zu PCE11 auf seine Struktur- und Aggregateigenschaften auswirkt. Durch eine detaillierte Analyse der optischen Spektren von PCE11 sowohl im reinen als auch im gemischten Zustand quantifiziere ich die in diesen beiden Fällen auftretenden Veränderungen in den Spektren und bringe sie mit den strukturellen Veränderungen von PCE11 in Verbindung. Ich komme zu dem Schluss, dass die Vermischung zu einer stärker planarisierten, längeren konjugierten PCE11-Kette mit einem geringeren Grad an molekularer Kopplung zwischen den Ketten führt.

Die Untersuchung der resultierenden Filme aus organischen Materialien oder Mischungen bietet jedoch kein vollständiges Bild des Filmbildungsprozesses. Um solche Filmbildungsprozesse zu untersuchen, ist die optische Insitu-Spektroskopie eine beste geeignete Technik. In Kapitel 4 versuche ich, ein allgemeines Verständnis über die Filmbildungsdynamik von aus Lösung verarbeiteten konjugierten Polymeren zu vermitteln. In diesem Kapitel konzentriere ich mich auf die Filmbildung von aus Lösung prozessiert P3HT-Filmen. Obwohl P3HT nicht die bestes Effizienten bietet, wurde es intensiv für die Anwendung in organischen Solarzellen untersucht, und es ist ein Modellmaterial mit gut verstandenen photophysikalischen Eigenschaften. Durch eine sorgfältige Auswahl und Kontrolle der Verarbeitungsbedingungen für die Lösung und eine detaillierte Analyse der gemessenen optischen In-situ-Spektren während der P3HT-Filmbildung präsentiere ich ein allgemeines Verständnis zur Erklärung der verschiedenen Aggregationswege vor, die die endgültigen Aggregateigenschaften im gebildeten Film beeinflussen. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass die Aggregatbildung in konjugierten Donor Polymeren bei der prozessiert aus Lösung zu dünnen Filmen über einen von zwei Wegen erfolgt. Die Aggregatbildung erfolgt entweder über einen zweistufigen Weg, bei dem sich die Aggregate bereits in der Lösung bilden, bevor das Lösungsmittel verdampft, oder über einen einstufigen Weg, bei dem sich die Aggregate erst nach ausreichender Verdampfung des Lösungsmittels bei hoher Polymerkonzentration bilden. Der während der Filmbildung eingeschlagene Weg bestimmt die Aggregateigenschaften der resultierenden Filme. Aggregate, die nach einem 2-Schritt-Verfahren gebildet werden, zeichnen sich durch eine planere, stärker geordnete Struktur aus, während Aggregate, die nach einem 1-Schritt-Verfahren gebildet werden, durch eine weniger planere und weniger geordnete Struktur gekennzeichnet sind.

In Kapitel 5 wende ich mich der anderen Hälfte eines organischen Gemischs zu, das in organischen Solarzellen verwendet wird, nämlich dem Akzeptor Material. In diesem Kapitel untersuche ich die Aggregationseigenschaften von zwei neuartigen Seitenkettenpolymeren, die auf einem inerten Polystyrol-Grundgerüst und zwei verschiedenen PDI-Chromophoren basieren. Diese beiden Polymere, PPBI-Alkyl und PPBI-OEG, haben leicht unterschiedliche chemische Seitenkettenstrukturen, was sich auf ihre Struktur- und Aggregationseigenschaften in Lösung beeinflusst. Ihre Struktur bietet einen einzigartigen Ansatz zur Steuerung der Aggregationseigenschaften des Gesamtpolymers durch Manipulation der Konformationseigenschaften des Polymerrückgrats. Mit Hilfe der stationären und zeitaufgelösten optischen Spektroskopie untersuche ich, wie geringfügige Änderungen der Seitenkettenstruktur dieser PDIs die Gesamtpolymeraggregationseigenschaften in Lösungen als Funktion der Lösungsmitteleigenschaften beeinflussen. Ich zeige, dass es möglich ist, die elektronische Wechselwirkung zwischen den PDI-Chromophoren zu steuern, indem man die Konformation des inerten Polymerrückgrats und die Anordnung der PDI-Chromophore um das Rückgrat herum kontrolliert. Der Grad der Löslichkeit des Polymerrückgrats steuert die Konformation des Rückgrats, während die Polarität des Lösungsmittels die Anordnung der PDI-Chromophore um das Rückgrat in Abhängigkeit von der angehängten Seitenkette beeinflusst. Durch das Zusammenspiel von Löslichkeit und Polarität lässt sich die Aggregation des Materials auf die gewünschten Eigenschaften abstimmen.

In Kapitel 6 schließlich versuche ich, einen Zusammenhang zwischen den Filmbildungs- und Aggregationseigenschaften von organischen Materialien und Mischungen bei ihrer Verarbeitung aus Lösung zu Filmen und ihrer Performance in organischen Solarzellen herzustellen. Durch die Charakterisierung der Filmbildungsdynamik in solchen Mischungen mittels optischer Insitu-Spektroskopie und ihrer Solarzellen Effizienz möchte ich herausfinden, welche spektralen Merkmale mit einer besseren Solarzelleneffizienz einhergehen. Anschließend versuche ich, die zugrundeliegenden strukturellen Ursprünge zu ermitteln, die dieser besseren Performance entsprechen. Dies würde es ermöglichen, auf rationale Weise Materialsysteme auszuwählen, die eine optimale Morphologie für eine verbesserte Solarzelleneffizienz bieten, anstatt trial-and-error zu folgen. Ich habe gezeigt, dass es möglich ist, a priori die Eignung einer organischen Mischung für die Herstellung effizienter Solarzellen vorherzusagen. Durch die Verfolgung der optischen Insitu-Spektren während der Filmbildung verschiedener organischer Mischungen kann man Informationen über die Vermischung von Domänen zwischen den in solchen Mischungen verwendeten Materialien gewinnen. Die Abnahme der PL-Intensität über einen langen Zeitraum nach der Filmbildung deutet auf eine weitere Bildung von Grenzflächen zwischen den Mischmaterialien hin, die eine günstigere Morphologie für effiziente organische Solarzellen bietet. Diese günstige Morphologie erhöhte die Effizienz bei der Ladungsträger Erzeugung der untersuchten Zellen und führte zu besseren Gesamtwirkungsgraden der Solarzellen. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse konnte ich ternäre organische Solarzellen mit der optimalen Mischungszusammensetzung herstellen, die im Vergleich zu den binären Solarzellen einen um 30 % höheren Wirkungsgrad aufweisen.

Insgesamt zeigt meine Arbeit, dass es möglich ist, Informationen über die Filmbildung von organischen Materialien zu erhalten, die aus Lösungen verarbeitet werden, indem man sich hauptsächlich auf die optische Insitu-Spektroskopie stützt. Meine Arbeit liefert eine allgemeine grundlegende Struktur der Beziehung zwischen den prozessieren Konditionen aus Lösung, den resultierenden Aggregateigenschaften und der entsprechenden Solarzelleneffizienz. Diese Arbeit legt den Grundstein für eine gezielte Lösungsprozessierung von organischen Mischschichten für effiziente organische Solarzellen.