Samenvatting De wereldpopulatie verbruikt steeds meer energie. Momenteel wordt deze energie vooral geleverd door fossiele brandstoffen. Een groot nadeel van fossiele brandstoffen is dat hun aanwezigheid op de aarde eindig is. Bovendien zijn ze sterk vervuilend voor het milieu. Daarom moet er een alternatief komen om in onze energiebevoorrading te voorzien. Het staat buiten kijf dat deze energiebron duurzaam dient te zijn. Fotovoltaïsche zonne-energie bezit daarvoor een enorm potentieel. De aarde ontvangt op één dag meer dan voldoende zonne-energie om aan de wereldwijde energiebehoeften van één jaar te voldoen. Deze energiebron is oneindig beschikbaar, en kan overal ter wereld aangewend worden. De reden dat fotovoltaïsche zonne-energie nog niet massaal aangewend wordt, is economisch. Elke kwh elektriciteit, geproduceerd via fotovoltaïsche zonnecellen, kost (afhankelijk van o.a. de regio) ongeveer vijf keer meer dan elektriciteitsopwekking met fossiele brandstoffen. Om competitief te worden, dient de prijs drastisch te dalen. Daarom bewandelt men vele paden om de kostprijs van een zonnecelmodule naar omlaag te krijgen. Eén van die paden is het ontwikkelen van plastic zonnecellen, gebaseerd op organische materialen. Organische zonnecellen zijn goedkoop en makkelijk te produceren. Bovendien kunnen ze op flexibele substraten aangebracht worden, en is de energieterugverdientijd veel minder dan bij klassieke Sizonnecellen. Organische materialen zijn bovendien overvloedig aanwezig en milieuvriendelijk. Er zijn echter twee belangrijke drempels die moeten overwonnen worden opdat organische zonnecellen competitief zouden worden met andere energiebronnen. Enerzijds is er de teleurstellende stabiliteit, en anderzijds de (voorlopig) te lage - 1 -
efficiëntie. Dit proefschrift tracht door het modelleren van organische zonnecellen een beter inzicht te krijgen in de interne processen van de cel. Zo krijgen we inzicht in oorzaken van knelpunten, en geven we richtlijnen om het zonnecelrendement te verbeteren. In organische zonnecellen leidt fotonabsorptie niet onmiddellijk tot een vrij elektron-gatpaar. Als tussenstap wordt een exciton gecreëerd, dat dient gedissocieerd te worden alvorens het kan bijdragen tot de stroom. In hoofdstuk twee karakteriseren we zo n organische zonnecel met een rendement van 1,3 % in het zonnecellabo van de Universiteit Gent. In hoofdstuk drie ontwikkelen we modellen die toepasbaar zijn op nanogestructureerde zonnecellen in het algemeen. We starten daartoe op microscopische schaal met het concept van de eenheidscel die we gebruiken om op macroscopische schaal een nanogestructureerde zonnecel voor te stellen met enerzijds een netwerkmodel, en anderzijds een effectief medium model. Het netwerkmodel heeft het voordeel dat het intuïtief is, terwijl het effectieve medium model makkelijk toe te passen is met een numerieke zonnecelsimulator. We tonen aan dat beide modellen equivalent zijn met elkaar. Op basis van deze modellen bewijzen we dat, bij belichting vanaf de p-zijde, de weerstand van het n- netwerk niet cruciaal is, en zelfs gunstig kan zijn, terwijl weerstand in het p-netwerk erg ongunstig is voor de cel. Dit kan een verklaring vormen voor de slechtere prestatie van droge of vastestof zonnecellen, vergeleken met natte of Grätzel cellen. Onze modellen geven aan dat de efficiëntie monotoon stijgt met toenemende mobiliteit van de ladingsdragers. Verder tonen we aan dat de zwakke absorptie van de zonnestraling een oorzaak is van het povere rendement. We onderzoeken de invloed van de celdikte en van de absorptiekarakteristieken. Een dikkere cel dan deze die we gekarakteriseerd hebben, zou het rendement doen toenemen met bijna een kwart, vermits meer licht zou geabsorbeerd worden. Verder merken we op dat de optimale dikte verschuift naar grotere waarden naarmate de mobiliteit van de ladingsdragers toeneemt. - 2 -
In hoofdstuk vier breiden we het standaard halfgeleidermodelleren van zonnecellen uit met excitonen. Onze numerieke berekeningen tonen aan dat de cellen goed kunnen presteren, zelfs als het licht enkel excitonen en geen vrije elektron-gat paren genereert. De voorwaarden daarvoor zijn dat er voldoende excitondissociatie plaatsvindt (waar ook in de cel) en dat zowel de elektron- als de excitondiffusielengte groter zijn dan de dikte van de eenheidscel. Via een empirische studie van verschillende bulk heterojunctie zonnecellen komen we in hoofdstuk vijf tot de conclusie dat niet de openklemspanning, maar de kortsluitstroom de beperkende factor is om met de huidige stand van de technologie hogere rendementen te bereiken. Verder bepalen we een empirische drempel (nl. 0,2 ev) tussen de LUMO s van donor en acceptor die noodzakelijk is voor de dissociatie van het exciton naar een vrij elektron-gat paar. Omwille van de verschillende technologische toestand van de cellen, werd geen relatie gevonden tussen de openklemspanning en de interface bandgap. In hoofdstuk zes bestuderen we één van de belangrijkste knelpunten voor de doorbraak van organische zonnecellen: het rendement. We gaan op zoek naar de bovengrens voor het rendement van de enkelvoudige organische cel, niet zozeer om een getal te plakken op deze bovengrens, maar wel om uit deze berekeningen een idee te krijgen hoe de ideale organische zonnecel eruit moet zien. Zo willen we materiaalontwikkelaars een leidraad geven voor het produceren van de ideale fotovoltaïsche materialen. We tonen aan dat voor organische materialen rekening moet gehouden worden met een beperkt absorptievenster, waardoor de ideale bandgap hogere waarden aanneemt dan de 1,1 ev die geldt voor anorganische materialen. Dit is goed nieuws vermits de productie van geschikte organische lage-bandgap materialen problemen met zich meebrengt. Omdat een bulk heterojunctie organische zonnecel niet uit één, maar uit twee actieve materialen bestaat, berekenen we data - 3 -
voor vele HOMO-LUMO-combinaties. Een belangrijke conclusie is dat het hoogste rendement wordt bereikt wanneer de LUMO van het n-materiaal zo dicht mogelijk gelegen is bij de LUMO van het p-materiaal. We stellen ook vast dat wanneer niet één, maar beide materialen licht absorberen, de maximaal bereikbare efficiëntie dezelfde is als in het geval waarbij slechts één materiaal licht absorbeert. Hogere rendementen worden echter bereikt voor materialen met niet-optimale energieniveaus. Tenslotte houden we nog rekening met het obligate LUMOverschil, nodig voor excitondissociatie. Dit leidt onmiddellijk tot een relatief rendementsverlies van 18 %. Indien we alle nietidealiteiten in beschouwing nemen, leidt een realistisch en een optimistisch scenario respectievelijk tot een rendement van 5,8 % en 15,2 %, bij respectievelijk ideale bandgaps van 1,9 en 1,6 ev. Deze resultaten geven aan dat organische bulk heterojunctie zonnecellen het potentieel hebben om de grens van de 10 % efficiëntie te doorbreken, wat wenselijk is om commercieel door te breken. Dit kan echter enkel gebeuren door het ontwikkelen van geschikte materiaalcombinaties waarbij het LUMO-verschil tussen donor en acceptor zo klein mogelijk is, terwijl er toch nog voldoende excitondissociatie mogelijk blijft. In hoofdstuk zeven tenslotte bestuderen we organische tandem zonnecellen. Een tandemzonnecel, bestaande uit twee deelcellen, kan in het ideale geval maximaal een rendement van 65,4 % bereiken, bij bandgaps van E g1 = 1,5 ev en E g2 = 0,7 ev. Vergeleken met het maximum voor een enkelvoudige zonnecel, is dit een rendementswinst van 1/3 relatief. Bij een tandemzonnecel echter is een absorptievenster van 400 nm voldoende, waardoor de optimale bandgaps naar hogere energieën verschuiven: E g1 = 1,7 ev en E g2 = 1,1 ev. De hoogste efficiëntie wordt opnieuw bereikt wanneer de LUMO s van beide p-type materialen zo dicht mogelijk liggen bij de LUMO s van hun naburige n-type materialen. Dit LUMO-verschil moet wel voldoende groot zijn om excitondissociatie mogelijk te maken in de organische zonnecel. Indien we dit verschil gelijk - 4 -
stellen aan de empirische drempel van 0,2 ev, dan daalt het celrendement 17 % relatief, vergeleken met een cel zonder LUMO-verschil. Ook tonen we aan dat het voor een tandemstructuur noodzakelijk is dat de interface bandgap E i1 van de eerste deelcel groter is dan de interface bandgap E i2 van de tweede deelcel. In een realistisch scenario zou 10 % haalbaar moeten zijn, terwijl in een optimistisch scenario 23 % mogelijk wordt. - 5 -