Advanced Scanning Probe Microscopy for Novel Generation Solar Cells

De huidige en nieuwe generatie organische en hybride zonnecellen hebben een gigantisch potentieel, niet alleen in kost reductie maar ook in mogelijke toepassingen. Echter, om een brede toepasbaarheid te bereiken dienen niet alleen nieuwe materialen ontwikkeld maar ook relevante en fysische parameters die bijdragen aan een hoge efficiëntie en stabiliteit gekarakteriseerd te worden. Een belangrijke parameter is de lokale morfologie en de bijhorende lokale elektrische eigenschappen. Om deze nanoschaal karakterisatie mogelijk te maken werd gebruik gemaakt van atomaire kracht microscopie en bijhorende afgeleide technieken zoals geleidende atomaire kracht microscopie en oppervlakte potentiaal microscopie. Hiertoe is dit werk verdeeld in verschillende onderdelen. In een eerste stap proberen we te verklaren wat men juist meet met KPFM en C-AFM. De opgemeten data insinueert dat de oppervlakte potentiaal zoals gemeten met KPFM zeer sterk gerelateerd is aan het HOMO niveau van het polymeer. Deze analyse laat ons toe om de opgemeten oppervlakte potentiaal te interpreteren als een intrinsieke barriére tussen tip en monster. Stroom spannings curves zoals opgemeten met geleidende AFM tonen dan aan dat indien de barriére tussen tip en monster niet te groot is dit verloopt volgens ”SCLC” gedrag echter, wanneer de barriére te groot wordt gaat de stroom zich volgens een Poole-Frenkel type contact gedragen. Ter controle werden stroom spanningscurves opgemeten op andere polymeren ook uitgezet en blijkt dat deze ook het voorop genoemde gedrag vertonen. In een tweede stap werden hoog efficientie polymer zonnecellen gecreëerd door gebruik te maken van ionische tussenlagen. Deze werden verder gekarakteriseerd met behulp van atomaire kracht microscopie, uit deze meting bleek dat de gebruikte tussenlagen de actieve laag van de zonnecel niet volledig bedekken maar toch resulteren in een verhoging van de efficiëntie. Een diepere karakterisatie met geleidende AFM en belichte KPFM leert ons dat de best presterende interlaag niet alleen gaten transport tegengaat maar ook zorgt voor elektrontransport. In een derde stuk passen we geleidende AFM toe op een nieuwe generatie van zonnecellen, namelijk perovskieten. Deze metingen tonen duidelijk aan dat in het geval van op lood halide gebaseerde perovskieten de korrelgrenzen niet geleidend zijn terwijl de korrels zelf zeer goed geleiden. Uit KPFM belicht en onbelicht volgt dat sommige korrelgrenzen actief zijn, terwijl de meeste echter geen speciaal effect onder licht vertonen. Een analyse van de lokale stroom spanningskarakteristieken toont aan dat deze te verklaren zijn door ladingsopbouw aan het raakvlak tussen de perovskietlaag en het titaanoxide. In het laatste onderdeel werd KPFM toegepast om de degradatie van calcium/aluminium contacten in organische zonnecellen te bestuderen en te verklaren. Hiertoe werden polymeerzonnecellen geprepareerd met contact en zonder contact en hierna opgewarmd op relatief hoge temperaturen voor korte tijden. Door cellen uit deze twee experimenten te vergelijken werd duidelijk dat de degradatie voornamelijk beperkt bleef tot de contacten. De cellen opgewarmd met contact werden opgemeten met KPFM en vertoonden een lokale vervorming van het contact en een bijhorende stijging in oppervlakte potentiaal. Metingen gebruik makend van een elektronenbundel toonden aan dat de lokale vervorming van het contact te verklaren is door een (lokale) verdunning van het aluminium en mogelijks diffusie van het calcium in het aluminium.

Publication year:2015

Accessibility:Open