Charge separation in organic photovoltaics

Polymere mit Halbleiter-Eigenschaften haben ein großes
Anwendungspotential in der organischen Photovoltaik, da sich ihre
optischen und elektronischen Eigenschaften über die molekulare
Struktur gezielt ändern lassen. Durch die Synthese von Copolymeren
mit besonders kleiner optischer Bandlücke (low-bandgap Copolymere)
konnte die Absorption von Sonnenlicht weiter in den infraroten
Spektralbereich ausgedehnt und somit die Konversion von Sonnenlicht
in elektrische Energie deutlich verbessert werden. Diese neuartigen
Donor-Akzeptor Materialien basieren auf einer alternierenden
Anordnung von elektronen-reichen und -armen Blöcken, die durch
elektronische Kopplung neue Energieniveaus mit kleinerer optischer
Bandlücke bilden. Ziel dieser Arbeit ist die eingehende
Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften dieser
weitgehend unerforschten Moleküle. Die ersten drei Kapitel bieten
dem Leser eine Einführung in das Forschungsgebiet und in die
theoretische Beschreibung konjugierter Polymere, sowie einen
Überblick über den aktuellen technischen Stand organischer
Photovoltaik. Kapitel 4 gibt eine Zusammenfassung der verwendeten
experimentellen und theoretischen Methoden. Der erste Teil der
Untersuchung von Donor-Akzeptor Materialien gilt den
Photoanregungen und der korrekten Zuordnung ihrer spektralen
Signaturen (Kap. 5). Diese ermöglicht eine Zuordnung der spektralen
Signaturen zu stark gebundenen, elektrisch neutralen Exzitonen,
bzw. leichter zu trennenden Ladungsträgerpaaren mit kleinerer
Bindungsenergie, sogenannten Polaronenpaaren. Aufgrund der
schwachen elektrischen Abschirmung von Ladungen in organischen
Materialen liegen die meisten Photoanregungen als Exzitonen vor. In
dieser Hinsicht zeigen spektroskopische Messungen auf
Femtosekunden-Zeitskala erstmals den andersartigen Charakter von
Donor-Akzeptor Materialien und demonstrieren den großen Einfluss
ihrer Struktur auf die Art der erzeugten Photoanregungen. Sie
zeigen, dass bei Photoanregungen dieser neuartigen Materialien
neben Exzitonen auch ein beträchtlicher Anteil an Polaronenpaaren
entsteht. Diese Donor-Akzeptor Materialien weisen einen
Polaronenpaar-Anteil von bis zu 24% aller Photoanregungen auf, was
dem Dreifachen der Effizienz vergleichbarer Homopolymere entspricht
(Kap. 6). Weitere Untersuchungen zeigen außerdem eine erhöhte
Erzeugungsrate bei kürzeren Anregungswellenlängen. Dies kann auf
eine Korrelation mit einem ausgeprägten Elektronentransfer der
involvierten Wellenfunktion zurückgeführt werden, welcher in
theoretischen Simulationen deutlich wird (Kap. 7). Zusammenfassend
geben die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse einen
detaillierten Einblick in die optischen und elektronischen
Eigenschaften von Donor-Akzeptor Copolymeren und den starken
Einfluss der molekularen Struktur auf die ersten Schritte der
photovoltaischen Stromerzeugung. Zusammenhänge zweier
Schlüsselfaktoren für die Effizienzsteigerung zukünftiger
organischer Solarzellen mit Materialparametern werden deutlich.
Dies sind die Erzeugungseffizienz und die Lebensdauer von
Polaronenpaaren und deren Abhängigkeit von der Elektronegativität
und der Abstand von Akzeptor- zu benachbarten Donorsegmenten.
Weiterhin konnte eine ausgeprägte Polaronenpaar Erzeugung über das
ganze Absorptionsspektrum nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse
bieten eine große Hilfestellung bei der weiteren Optimierung von
Polymeren für Photovoltaik. Außerdem heben sie den wichtigen
Beitrag der Ultrakurzzeit Spektroskopie zum grundlegenden
Verständnis der Polaronenpaarerzeugung hervor. Mit diesen Mitteln
könnte eine Verringerung des Spannungsverlustes möglich werden, der
zur Ladungsträgertrennung in organischen Materialien nötig ist.