Stability of Bulk-heterojunction blends for Solar Cell Applications
Doktorsavhandling, 2014

Polymer solar cells are a promising alternative to more traditional silicon solar cells. This is mainly due to the good solubility of organic semiconductors, which makes it possible to produce large-scale and mechanically flexible devices with roll-to-roll processes. To be able to fully utilise this promising technique the stability of the materials, used in these devices, must be guaranteed. The focus of this thesis is the stability of the active layers of polymer solar cells. Both, bleaching due to photo-oxidative degradation and thermal stability of the nanostructure have been studied. The presented work is mostly based on blends of a thiophene-quinoxaline based polymer (TQ1) and fullerene derivatives (PCBM). The first part of the thesis deals with the photo-oxidative stability of TQ1 and a pyrido pyrazine based polymer (TQN). To make those polymers more black they were co-polymerised with thiophene-hexylthiophene. The stability of TQN is shown to be un-effected by this incorporation whereas the stability of TQ1 decreased. Moreover, the degradation rate of TQ1 seems to be independent of both molecular weight and film thickness. The stability of the nanostructure has been studied with various microscopy and spectroscopy methods. Below the glass transition temperature of the TQ1:PC61BM blend only local rearrangement of polymer chains is possible. This mild annealing is found to increase the device efficiency. In contrast, annealing at higher temperatures above the glass transition temperature led to a coarser nanostructure and formation of PCBM crystals, which was detrimental for the performance of corresponding solar cells. Finally, this thesis demonstrates that the thermal stability of these blends can be significantly improved by inclusion of neat C60-fullerene as well as the use of a mixture of two fullerene derivatives as the acceptor material.

nanostructure

PCBM crystallisation

bulk-heterojunction

Polymer solar cells

stability

KB
Opponent: Prof. Jean Manca

Författare

Camilla Lindqvist

Chalmers, Kemi- och bioteknik, Polymerteknologi

Växthuseffekt och global uppvärmning är två begrepp som ofta figurerar i både miljödebatter och media. Globalt ökande energibehov och användning av fossila bränslen gör att vi idag står inför en annalkande energikris. Behovet av att hitta nya och mer hållbara energikällor är stort, vilka både ska vara förnyelsebara och koldioxidneutrala, d.v.s. de ska inte bidra till en ökad mängd växthusgaser i atmosfären. I dagsläget finns det flera alternativa energikällor som uppfyller dessa krav, t.ex. solenergi, vindkraft och vattenkraft. Solen är en utmärkt energikälla som, om vi kunde utnyttja den i större utsträckning, skulle täcka vårt energibehov. Solenergi kan tas till vara på med hjälp av olika varianter av solceller. Kiselbaserade solceller är i dagsläget den mest använda teknologin. Tidigare har dessa förknippats med ett högt pris vilket har gjort att intresset för andra solcellsteknologier blivit större. En av dessa alternativa solcellsteknologier är baserat på ledande polymerer. Fördelen med denna teknik är att den kan tryckas på flexibla material i någonting som kan liknas vid en vanlig tryckpress. Innan dessa solceller kan kommersialiseras måste stabiliteten för de ingående matrialen förbättras. Detta har varit huvudinriktningen på denna avhandling där både värme- och ljusstabiliteten har undersökts. En större förståelse av vad som händer i solcellens aktiva lager under tillverkning och användning är viktigt för att ta tillvara på fördelarna av denna lovande teknologi.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Energi

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Materialkemi

ISBN

978-91-7385-982-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 3663

KB

Opponent: Prof. Jean Manca