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Morphology control by ionic interactions of cyanine / PCBM bulk heterojunctions for photovoltaic applications

English title Morphology control by ionic interactions of cyanine / PCBM bulk heterojunctions for photovoltaic applications
Applicant Heier Jakob
Number 160116
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Abteilung Funktionspolymere EMPA
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.08.2015 - 31.07.2017
Approved amount 129'759.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Condensed Matter Physics
Microelectronics. Optoelectronics
Organic Chemistry

Keywords (6)

Electrolyte; Organic photovoltaics; Morphology control; Bulk heterojunction; Cyanine dye; Counterion

Lay Summary (German)

Lead
Die aktive Schicht in organischen Solarzellen besteht aus einer komplexen Nanophasenmorphologie in welcher Lichtabsorption als auch die Generation und der Abzug freier Ladungsträger erfolgen müssen. Die meisten dieser Zellen werden durch Verdampfen des Lösungsmittels aus einer Flüssigkeit hergestellt. Die genauen Anforderungen an die einzelnen Komponenten sowie der Ablauf welcher letztendlich zu einer effizienten Solarzelle führt ist noch nicht im Detail erforscht. In einem neuartigen Modellsystem bestehend aus kationischen Farbstoffen, einem Fulleren und dem Lösungsmittel können wir Morpholgien effizient kontrollieren und untersuchen.
Lay summary

Spitzenreiter unter den organischen Solarzellen sind die sogenannten "Bulk Heterojunctions". Dies sind dünne Polymerfilme in welchen eine Lichtabsorberphase und eine Akzeptorphase ein phasensepariertes Netzwerk bilden. Die Dimensionen dieser Phasenstruktur liegen im Nanometerbereich. Kommerziell interessant werden diese Systeme wenn sich die Nanostruktur durch einen Selbstorganisationsprozess während des Eintrocknens einer Flüssigphase ausbildet.

Unser übergeordnetes Ziel ist es zu einem besseren Verständnis der Ausbildung der Nanostruktur und der Beziehung zwischen Morphologie und Effizienz beizutragen.  

Konkret werden wir an einem ternären Modellsystem bestehend aus Lösungsmittel, einem kationischen Cyanin Farbstoff als Lichtabsorber und einem Fulleren als Elektronakzeptor, arbeiten. In diesem System kann das Mischungsverhalten durch die Wahl verschiedener Gegenionen variiert werden. Dissoziation der Gegenionen fördert die Mischbarkeit der Komponenten. Durch Ionenaustauschreaktionen werden wir eine Reihe Farbstoffe mit unterschiedliche Gegenionen synthetisieren und deren Dissoziationsverhalten untersuchen (NMR und Leitfähigkeitsmessungen). Diesem Verhalten wollen wir ein ternäres Phasendiagram entgegenstellen, d.h. wir bestimmen bei welchen Konzentrationen und Zusammensetzungen die Lösung in 2 Phasen separiert. Aus diesen Lösungen werden durch "spincoating" Labor-Dünnfilmsolarzellen hergestellt. Wir werden die Morphologie charakterisieren und den Wirkungsgrad der Solarzellen bestimmen.

Durch diesen systematischen Ansatz erhoffen wir wichtige Aufschlüsse über den Zusammenhang von Solarzelleneffizienz und Moleküleigenschaften zu erhalten. Diese wichtigen Fragen sind bei den heute effizientesten Solarzellen nicht geklärt - man kennt die Moleküle, deren Morphologie in einer Solarzelle und auch deren Mischungsverhalten. Warum aber genau diese Zelle effizient ist, ist noch weitgehend unerforscht. 

   

 

Direct link to Lay Summary Last update: 08.07.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Physical vapour deposition of cyanine salts and their first application in organic electronic devices
Gesevičius Donatas, Neels Antonia, Duchêne Léo, Hack Erwin, Heier Jakob, Nüesch Frank (2019), Physical vapour deposition of cyanine salts and their first application in organic electronic devices, in Journal of Materials Chemistry C, 7(2), 414-423.
Superweak Coordinating Anion as Superstrong Enhancer of Cyanine Organic Semiconductor Properties
Gesevičius Donatas, Neels Antonia, Yakunin Sergii, Hack Erwin, Kovalenko Maksym V., Nüesch Frank, Heier Jakob (2018), Superweak Coordinating Anion as Superstrong Enhancer of Cyanine Organic Semiconductor Properties, in ChemPhysChem, 19(24), 3356-3363.
Increasing Photovoltaic Performance of an Organic Cationic Chromophore by Anion Exchange
Gesevičius Donatas, Neels Antonia, Jenatsch Sandra, Hack Erwin, Viani Lucas, Athanasopoulos Stavros, Nüesch Frank, Heier Jakob (2017), Increasing Photovoltaic Performance of an Organic Cationic Chromophore by Anion Exchange, in Advanced Science, 1700496.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Anthony Linden, X-ray structure analysis, University of Zürich Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Raffaele Mezzenga, Laboratory for Food and Soft Materials Science Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Carlos Graeff, UNESP, Bauru Brazil (South America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Dr. Jan Groenewold, Physical and Colloid Chemistry, University of Utrecht Netherlands (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Stavros Athanasopoulos, Universidad Carlos III de Madrid Spain (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Jaques Moser, Photochemical Dynamics Group at EPFL Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Organic Semiconductors - Zing Conference Poster Engineering of a Cyanine Chromophore and Application in an Organic Solar Cell 22.09.2016 Dubrovnik, Croatia Donatas Gesevisius; Heier Jakob;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149127 Structured Templates for Dye Aggregation and Crystallization for Applications in Photovoltaics and Photonics 01.11.2013 Project funding (Div. I-III)
137868 Reaction-diffusion processes for the growth of patterned structures and architectures: A bottom-up approach for photoelectrochemical electrodes 01.03.2012 Project funding (Div. I-III)
152909 Spacial and Morphological Control of Cyanine Dye Crystals 01.07.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

One research domain in organic photovoltaics is devoted to the questions on how to improve the nanomorphology of so called bulk heterojunction solar cells, and more fundamentally, what is the optimal morphology after all. Bulk heterojunction morphologies in thin films evolve during solvent evaporation by a quench of the solution into the unstable region of the solution phase diagram (via spinodal decomposition). We propose to investigate bulk heterojunction morphologies of small molecule absorber dyes with PCBM. Cyanine dyes are a class of ionic compounds, and control of the morphology can be achieved via the dissociation behavior of the counterion associated with the dye. A dissociated counterion is capable to strongly influence the miscibility of a ternary fluid and can also tune the morphology of a phase separating system. The effect on morphology usually leads to smaller features and is related to the emergence of electrostatic interactions associated with charge separation between the domains thus preventing further coarsening. Typically such mechanisms were investigated for aqueous polyelectrolyte / nonionic polymer systems. For small molecules in organic solvents, these processes are only rarely studied. This novel aspect will be the main focus of the proposed research. In particular we seek to exploit this effect in the development in solar cells which has not been done yet. We will systematically investigate the relation “dissociation - ternary solution phase diagram - thin film morphology - solar cell performance”. The challenge is to find meaningful correlations between phase diagram and film morphology. Phase diagrams represent equilibrium situations, however, during the fast solvent evaporation the system may not be able to adapt to equilibrium and a non-equilibrium morphology is frozen in. Goal of the project is to understand the morphology evolution in thin films and to optimize the device performance by morphology control.
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