www.uhasselt.be
DSpace

Document Server@UHasselt >
Research >
Research publications >

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1942/20420

Title: Morphology and recombination in P3HT:PCBM organic solar cells
Authors: Spoltore, Donato
Advisors: Manca, Jean
Issue Date: 2013
Abstract: The general aim of this thesis work has been the study of the relation between morphology and recombination in polymer:fullerene solar cells, since both are crucial factors governing the photovoltaic parameters. The polymer:fullerene combination P3HT:PCBM has been chosen as the model system for this investigation since it is a well known material system and its morphology and crystallinity (e.g. fiber contents) can be varied. Non-geminate recombination of charge carriers has received here particular attention as it has been proven, in the last years, to be one of the main loss pathways in organic solar cells. The open circuit voltage (VOC) as well as the fill factor (FF) are mainly shaped by non-geminate recombination and by the relative weight of direct and trap-assisted recombination in the system studied.[70-72] In some polymer:fullerene blend it has been shown that the non geminate recombination is so strong to affect even the short circuit current (JSC) while in P3HT based solar cells the sweep out of the charges is faster than recombination reducing the current loss for voltages close to zero. To measure the mobility and the recombination behavior of solar cells, next to the already available measurement techniques at IMO, in this PhD-work several additional techniques have been introduced. For mobility measurements Charge Extraction by Linearly Increasing Voltage (CELIV) and photo-CELIV were introduced. They are relatively easy measurements to carry out but powerful as they allow the study of mobility in a real solar cell configuration. Other measurements techniques require to build samples with a different structure compared to a real solar cell (e.g. Space Charge Limited Current SCLC requires appropriate electrodes) or they provide the value of mobility in a different direction compared to the normal percolation path of a solar cell (e.g. Field Effect Transistor addresses planar transport instead of vertical transport). The main drawback of CELIV is that is not possible to assign the measured mobility to holes or electrons. A recent work assigned this mobility value to an ambipolar mobility (dominated by the main carrier). Our measurements on P3AT:PCBM systems compare well with SCLC measurements on hole only diodes suggesting the CELIV mobility in this system probes mainly the hole mobility. To measure non-geminate recombination, Transient Photovoltage (TPV) and Transient Photocurrent (TPC) techniques were introduced, next to the above mentioned photo-CELIV. Using TPV and TPC is of particular interest as they are performed biasing the solar cell with a white light. This allows to probe the lifetime of carriers and the number of generated carriers at different quasi-Fermi level splitting.
Het centrale thema doorheen dit werk is de relatie tussen de morfologie en recombinatie in polymeer:fullereen zonnecellen, aangezien beide verantwoordelijk zijn voor de prestaties van de zonnecel. Het polymeer:fullereen systeem, P3HT:PCBM, is gekozen als model systeem in dit onderzoek omdat het een wel gekend materiaal is en het ook een variatie van de morfologie en kristalliniteit (bv. nanovezel gehalte) toelaat. Gedurende de laatste jaren is de aandacht voor non-geminate recombinatie van ladingsdragers sterk toegenomen aangezien dit type van recombinatie grote verliezen in de performantie van zonnecellen veroorzaakt. Fotovoltaïsche parameters zoals de open-klem spanning (Voc) en de vulfactor (FF) zijn sterk afhankelijk van non-geminate recombinatie en de verhouding van directe en trap-assisted recombinatie in P3HT:PCBM zonnecellen. [70- 72] Voor sommige polymeer:fullereen systemen is aangetoond dat het effect van non-geminate recombinatie zo sterk is dat ook de kortsluitstroomdichtheid (Jsc) beïnvloed wordt. In P3HT gebaseerde zonnecellen vindt de extractie van de ladingen op een veel kortere tijdsschaal plaats dan de recombinatie, waardoor het verlies in stroomdichtheid verminderd wordt voor spanningen dicht bij het nulpunt. Dit werk introduceert, naast de reeds bestaande meettechnieken op IMO, verschillende nieuwe meettechnieken om de mobiliteit en het recombinatiegedrag van zonnecellen in kaart te brengen. Charge Extraction by Linearly Increasing Voltage (CELIV) en photo-CELIV zijn 2 technieken die geïntroduceerd werden. Deze technieken zijn relatief eenvoudig qua opbouw maar ontzettend krachtig, omdat ze toelaten de mobiliteit in een volledig werkende zonnecel op te meten. Andere meettechnieken vereisen namelijk een specifieke configuratie waarbij afgeweken moet worden van de werkelijke zonnecel-opbouw (bv. Space Charge Limited Current (SCLC) vereist speciale selectieve elektrodes) of de gemeten mobiliteitswaarde is voor ladingen die zich niet in de correcte richting verplaatsen zoals dat gebeurt in een echte zonnecel (bv. Field Effect Transistor (FET)-metingen meten enkel het planaire transport in plaats van het transport in de verticale richting). Het grootste nadeel van CELIV is dat het niet mogelijk is om de gemeten mobiliteit toe te wijzen aan positieve (gaten) of negatieve (elektronen) ladingen. Een recente studie kende deze mobiliteit toe aan een ambipolaire mobiliteit welke gedomineerd wordt door de ladingsdrager die het sterkst aanwezig is in het materiaal. Onze metingen op P3AT:PCBM systemen zijn zeer vergelijkbaar met SCLC metingen op hole-only-diodes, wat suggereert dat we met CELIV vooral de gatenmobiliteit meten. Om de non-geminate recombinatie te onderzoeken werden, buiten photo-CELIV, ook nog Transient Photovoltage (TPV) en Transient Photocurrent (TPC) geïntroduceerd. Deze technieken laten toe om de zonnecel te bestuderen onder invloed van een wit licht bias. Hierdoor is het mogelijk de levensduur alsook de generatie van de ladingsdragers te analyseren voor verschillende quasi-Fermi niveaus.
URI: http://hdl.handle.net/1942/20420
Category: T1
Type: Theses and Dissertations
Appears in Collections: PhD theses
Research publications

Files in This Item:

Description SizeFormat
N/A25.76 MBAdobe PDF

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.