Near IR sensitization

Konjugierte organische Halbleiter, im speziellen Polymere eignen sich besonders für die Photovoltaik auf Grund ihres hohen Absorptionskoeffizienten und der Variationsmöglichkeit des Bandgaps. Allerdings sind konjugierte organische Halbeiter von exitonischer Natur. Dies drückt sich in einem spektral beschränkten Absorptionsspektrum aus. Im Vergleich zu anorganischen Halbleiter, bei denen das Absorptionsspektrum bei Energien größer als das Bandgap eher einem Plateau gleichen, zeigen organischen Halbleiter Absorptionsstrukturen ähnlich einer Gaußverteilung mit wenigen 100 nm Breite. Dies ist ein gravierender Nachteil für photovoltaische Anwendungen, bei denen man das gesamte Spektrum gleichmäßig nutzen möchte. Verschiedene Lösungsansätze wurde bereits in der Literatur vorgestellt: zum Beispiel wurde die Synthese von A-B Blockcopolymeren, bei denen der Block A und der Block B aus Chromophoren mit unterschiedlichem Bandgap bestehen, vorgeschlagen, zum anderen wurden Beimengungen von kleinen Molekülen als Sensitizer diskutiert.
Eine alternative Strategie sind Tandem-Zellen, bei denen man Halbzellen mit unterschiedlichen Absorbern zusammenkoppelt. Alle diese Strategien sind zur Zeit in verschiedenen Stadien der Entwicklung.

In diesem Projekt werden ternären Bulkheterojunction Systeme, basierend auf zwei Polymeren und Fulleren entwickelt. In diesem ternären Gemisch muss jede Komponente unterschiedliche Aufgaben übernehmen:

• Das Fulleren dient als Elektronakzeptor für beide Polymere und auch als Elektronentranspormatrix.
• Ein Polymer muss als Lochtransportmatrix fungieren und auch als Absorber in einem der beiden Spektralbereiche (UV/Vis oder NIR).
• Das zweite Polymer ist der Sensitizer zu dem ersten Polymer und absobiert im gesamten Spektralbereich. Nach ersten Ergebnissen ist es vorteilhaft wenn dieses Polymer einen effizienten Elektronentransfer zum Fulleren als auch einen effizienten Lochtransfer zum Transport-Polymer hat. In diesem Fall sind die Transporteigenschaften dieses Polymers von sekundärer Bedeutung.

Das Design von ternären bulk heterojunction (BHJ) Kompositen benötigt die Entwicklung von drei, zum Teil sehr fundamentalen Aspekten der organischen Halbleiter und der Photovoltaik:

1. Synthese: Die ersten grundlegenden Untersuchungen werden noch an bekannten, vorhandenen Materialien durchgeführt. Sehr schnell jedoch auf neue Materialien übergewechselt, die genau auf die Bedürfnisse der IR- Sensitivierung abgestimmt sind. Die umfasst vor allem 2 verschiedene Polymerklassen mit kleinem als auch mit großem Bandgap, wobei von jeder Klasse mehrere Polymere mit geringer Variationen des HOMO Level hergestellt werden.
2. Morphologie: Die Erfassung und Kontrolle der Morphologie von ternären BHJ Kompositen ist eine große Herausforderung. Sind Polymere nicht vollständig mischbar, treten Mischungslücken bzw. Entmischungen auf. Nach Hildebrandt lösen bzw. mischen sich Stoffe nur dann, wenn sie ähnliche intermolekulare Anziehungskräfte haben.
3. Transport und Ladungstransfer: Um die Funktionsweise von ternären Mischungen zu verstehen, müssen vor allem die Transporteigenschaften untersucht werden. Geeignete Methoden müssen entwickelt werden, mit denen unterschieden werden kann in welcher der beiden Polymere der Lochtransport stattfindet. Mit Hilfe von zeitaufgelöster, angeregter Zustandsspektroskopie soll der Mechanismus der Ladungsträgergeneration geklärt werden.

Laufzeit:
01.04.2010 - 31.03.2015

Projektleiter:
Prof. Dr. U. Scherf