Grenzflächen in Phthalocyanin-C60-Solarzellen

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, zu einem verbesserten Verständnis von organischen Solarzellen auf Basis von Phthalocyanin (Pc) und C60 zu gelangen. Diese Solarzellen sind aufgrund der sehr geringen Schichtdicke (um 50 nm) ihrer Komponenten vor allem von den Eigenschaften ihrer Grenzflächen bestimmt. Die Zusammensetzung der Grenzflächen wird aus dem grundlegenden Schichtaufbau der Solarzellen deutlich: (Glas) / Indium-Zinnoxid (ITO) / Phthalocyanin (Pc) / C60 / Aluminium. In dieser Dissertation wurde die elektronische und morphologische Struktur der ITO-Pc-Grenzfläche, der Pc-C60-Grenzfläche sowie der C60-Al-Grenzfläche untersucht. Zur elektronischen Anpassung der Oberfläche der ITO-Elektrode an die Pc-Schicht wurde diese mit Periodsäure (HIO4) bzw. Phosphorsäure (H3PO4) behandelt. Dies führte zu einer Steigerung der Austrittsarbeit um 0,6 eV. Diese Steigerung ist vor allem auf einen Oberflächendipol durch chemisch an die ITO-Oberfläche gebundene Säureionen zurückzuführen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Beschichtung von phosphorsäurebehandeltem ITO mit Pc innerhalb der ersten Monolage von Pc- Molekülen ein weiterer Dipol entsteht, der dem Oberflächendipol des ITO in Betrag gleich und in Richtung entgegengesetzt ist. Die Erhöhung des Wirkungsgrades sequentiell aufgedampfter Solarzellen der Schichtstruktur Glas / ITO / Pc / C60 / Bathocuproine / Al um bis zu 40 % durch Periodsäurebehandlung oder Phosphorsäurebehandlung wird auf eine verringerte Grenzflächenrekombination zurückgeführt. Zur Optimierung der Pc-C60-Grenzfläche hinsichtlich des Solarzellenwirkungsgrades wurden zwei thermische Verfahren entwickelt, um die Morphologie von zunächst amorphen Pc-C60-Mischschichten gezielt zu verändern. Die so möglich gewordene Einstellung der Pc-C60-Morphologie in Mischschichtsolarzellen führte zu einer Steigerung des Wirkungsgrades um durchschnittlich ca. 15 % bei Werten von bis zu 2,1 %. Damit wurde erstmalig die optimale Agglomeratgröße in Pc-C60-Mischschichten mit Werten zwischen 15 und 30 nm ermittelt. Die Steigerung des Wirkungsgrades wird auf einen verbesserten Ladungstransport durch erhöhte Kristallinität zurückgeführt. Der energetische Abstand EHOLU zwischen dem niedrigsten unbesetzten molekularen Orbital (LUMO) von C60 und dem höchsten besetzten molekularem Niveau (HOMO) von Phthalocyanin wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal mittels UV-Photoelektronenspektroskopie für CuPc-C60-Mischschichten bestimmt und betrug 1,2±0,2 eV. Er war bei Mischschichten um 0,4±0,2 eV größer als bei sequentiell aufgedampften Schichten. Dies schlug sich allerdings nicht in einer höheren Leerlaufspannung der Mischschicht-Solarzellen nieder. Dieser Effekt wird durch Limitierungen des Ladungstransportes in Mischschichtsolarzellen erklärt. Die C60-Aluminium- Grenzfläche wurde bei sequentiell aufgedampften Solarzellen in Hinblick auf die Funktion einer Bathocuproin (BCP)-Pufferschicht untersucht, deren Einschub zwischen C60 und Aluminium den Wirkungsgrad von Phthalocyanin-C60-Solarzellen in etwa verzehnfacht. Wie gezeigt werden kann, geht dieser Effekt zum einen darauf zurück, dass die nicht-strahlende Exzitonenrekombination an der Grenzfläche zum Aluminium verringert wird, zum anderen in noch stärkerem Maße darauf, dass durch die Pufferschicht die Ausbildung einer Sperrschicht zwischen C60 und Al verhindert werden kann.

It was the aim of this work to improve the understanding of organic solar cells based on Phthalocyanine (Pc) and C60. These devices are mostly determined by the nature of their interfaces due to component film thicknesses limited to about 50 nm. The interfaces concerned can be inferred from the principal device structure (glass) / indium-tinoxide (ITO) / Phthalocyanine (Pc) / C60 / Aluminium. In the present work the electronic and morphological structure of the ITO-Pc-interface, the Pc-C60-interface and the C60-Al- interface were examined. A treatment with periodic acid (HIO4) or phosphoric acid (H3PO4) was applied to the ITO electrode to electronically adjust its surface to the Pc-film. This resulted in an increase of the work function by 0.6 eV. This increase is mainly caused by the surface dipole induced by acid ions chemically bonded to the ITO surface. It was demonstrated, that upon deposition of Pc on phosphoric acid treated ITO an additional dipole is formed which is equal in its magnitude and opposite in direction to the ITO surface dipole. An increase in power conversion efficiency of solar cells with the structure glass / ITO / Pc / C60 / Bathocuproine / Al by up to 40 % was obtained by treatment of the ITO surface with periodic acid or phosphoric acid. This effect is attributed to reduced interface recombination. In order to optimise the Pc-C60-interface to obtain higher solar cell efficiencies two different thermal treatments were developed to tune the morphology of initially amorphous Pc-C60 blend films. Thus device efficiencies could be increased on average by 15 %, reaching values of up to 2.1 %. A blend film morphology with agglomerates of about 15-30 nm diameter was shown to be optimal for device performance. The enhanced device performance is attributed to improved charge carrier transport due to higher crystallinity. The energetic difference EHOLU between lowest unoccupied molecular orbital of C60 and highest occupied molecular orbital (HOMO) of Pc was determined by UV photoelectron spectroscopy for the first time in CuPc-C60-blend films with a value of 1.2±0.2 eV. Therefore it was higher by 0.4±0.2 eV in blend films than in sequentially deposited layers. However this did not result in a higher open circuit voltage of solar cells. This effect is explained by limitations in charge carrier transport in blend film solar cells. The C60-Al-interface in solar cells with sequentially deposited organic films was examined with regard to the function of a bathocuproine (BCP) buffer layer. Insertion of this buffer layer between C60 and Al was shown to increase the solar cell efficiency by more than one order of magnitude. It was demonstrated, that this increase can be explained by two effects: Firstly the non-radiative exciton recombination in C60 is strongly reduced upon insertion of the BCP film. Secondly and more importantly the BCP film prevents the formation of an electron blocking layer at the C60-Al-interface.