Die HI ERN-Wissenschaftler Dr. Olivier Ronsin and Prof. Jens Harting haben in ihrer Arbeit die Beziehung zwischen Herstellungsprozessen und den so entstehenden Strukturen genauer analysiert. Dabei wurde erstmalig das Zusammenspiel aller relevanten physikalischen Prozesse zur Herstellung organischer Solarzellen in einem zusammenhängenden Rahmen theoretisch untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen, die kürzlich im Journal ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht wurden, stimmen mit experimentellen Ergebnissen überein. Damit ist der Grundstein gelegt, physikalische Designregeln für die Tintenformulierung und Verarbeitungsbedingungen zu ermitteln, um die Leistung der Zelle zukünftig zu optimieren. Der Ansatz kann in Zukunft auf neuere organische Materialsysteme angewendet werden.
Nicht erst seit der Energiekrise ist die Weiterentwicklung organischer Solarzellen ein großes Forschungsthema. Organische Solarzellen bestehen aus dünnen Folien und gelten als potenziell günstiger und vielseitiger als herkömmliche Solarzellen. Allerdings weisen diese bislang noch eine geringere Leistung und eine kürzere Lebensdauer als herkömmliche Solarzellen auf. Die beiden HI ERN-Forscher haben nun erstmals realistische Simulationen echter organischer Solarzellen durchführen können. Dieser neue Ansatz ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung kostengünstigerer und leistungsfähigerer organischer Solarzellen. Er kann zukünftig sowohl auf neuere organische Materialsysteme als auch auf Perowskit-Solarzellen angewendet werden, um die Leistung der gedruckten Solarzellen weiter zu optimieren.
Bei organischen Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus mindestens zwei Materialien. Die Leistung ist stark abhängig von der sogenannten Bulk-Hetero-Junction (BHJ)-Morphologie, in der sich die Materialien beim Trocknen der nass abgeschiedenen Lösung anordnen. Die Beziehung zwischen Prozess und Struktur ist jedoch noch unzureichend verstanden, sodass wissenschaftliche Fortschritte per „Trial and Error“ bislang sehr viel Zeit erforderten.
In dieser Arbeit wird ein kürzlich entwickeltes, sogenanntes gekoppeltes Phasenfeld-Fluidmechanik-Rahmenwerk verwendet, um den Trocknungsvorgang zu simulieren. Damit ist es erstmals möglich, das Zusammenspiel aller relevanten physikalischen Prozesse wie Verdunstung, Kristallkeimbildung und -wachstum sowie Flüssigkeitsentmischung in einem einzigen kohärenten theoretischen Rahmen zu untersuchen. Der erwartete Nutzen eines solchen Ansatzes besteht darin, physikalische Designregeln für die Tintenformulierung und die Verarbeitungsbedingungen zu ermitteln, um die Leistung der Zelle zu optimieren. Er könnte in Zukunft auf neuere organische Materialsysteme angewendet werden.
Das Video zeigt den Schnitt einer simulierten 150-Nanometer dicken Bulk-Hetero-Junction-Morphologie am Ende des Herstellungsprozess. Diese photoaktive Schicht besteht aus einer Materialmischung aus Polymeren (rot) und Kleinmolekülen (grün).
Olivier J. J. Ronsin, Jens Harting
Formation of Crystalline Bulk Heterojunctions in Organic Solar Cells: Insights from Phase-Field Simulations
ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 44, 49785–49800
Publication Date: October 25, 2022
DOI: 10.1021/acsami.2c14319
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