During the past decade significant attention has been focused on study of organic solar cells, representing a promising technology for renewable environmental-friendly energy. In comparison to the inorganic counterparts, the organic photovoltaic devices posses a number of important advantages, however, their application is limited due to low power conversion efficiency up to date. Previous ...
Abstract (English)
During the past decade significant attention has been focused on study of organic solar cells, representing a promising technology for renewable environmental-friendly energy. In comparison to the inorganic counterparts, the organic photovoltaic devices posses a number of important advantages, however, their application is limited due to low power conversion efficiency up to date. Previous experimental research in the field revealed that the main cause of the low device efficiency was the existence of different loss phenomena, e.g. exciton losses, charge losses, and photon losses. In present thesis, by developing and applying the suitable multiscale modeling techniques, we investigated the role of these losses on the device performance theoretically. Our simulation approach consisted of subsequent application of polymer field theory, for calculating the polymer phase-separated morphology , and dynamical Monte Carlo method for simulating the elementary photovotaic processes. With this methodology in hand, we studied the role of structural inhomogeneities, such as inclusions and dead ends on the device performance, which we found to be crucial for the internal quantum efficiency of the photovoltaic system. Furthermore, we focused on the role of donor- and acceptor-polymer mixing, which we studied by switching from mesoscopic to atomistic scale of the system description. To this end, we showed the the main part of photogenerated charges comes from the region away from the visual domain boundaries in agreement with recent experimental data. Finally, we proposed a novel approach to improve the photovoltaic performance of polymer-bulk heterojunction devices, based on random tapering of a polymer segment encompassing the chemical junctions between the electron-donating and electron-accepting blocks of the diblock copolymer molecules. We demonstrated that by introducing the tapered middle block into the diblock copolymer structure, the increase in internal quantum efficiency can reach 40 %.
Translation of the abstract (German)
Im vergangenen Jahrzehnt hat die Erforschung von organischen Solarzellen, die eine vielversprechende Technologie für erneuerbare umweltfreundliche Energie darstellen, erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu den anorganischen Gegenstücke besitzen die organischen photovoltaischen Geräte eine Reihe von wichtigen Vorteilen, jedoch ist ihre Anwendung aufgrund der niedrigen ...
Translation of the abstract (German)
Im vergangenen Jahrzehnt hat die Erforschung von organischen Solarzellen, die eine vielversprechende Technologie für erneuerbare umweltfreundliche Energie darstellen, erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu den anorganischen Gegenstücke besitzen die organischen photovoltaischen Geräte eine Reihe von wichtigen Vorteilen, jedoch ist ihre Anwendung aufgrund der niedrigen Energieumwandlungseffizienz auf den neuesten Stand begrenzt. Die experimentelle Forschung im Bereich ergab, dass die Hauptursache für die geringe Effizienz der Geräte die Existenz der verschiedenen Verlusterscheinungen, zum Beischpiel Excitonsverluste, Ladungsverluste und Photonenverluste ist. In dieser Arbeit untersuchten wir die Rolle dieser Verluste auf der Geräteleistung theoretisch durch die Entwicklung und Anwendung der geeigneten Multiskalenmodellierung Techniken. Unsere Simulationsansatz bestand aus anschließende Anwendung von Polymer-Feldtheorie für die Berechnung der Polymermorphologie und dynamische Monte-Carlo Methode zur Simulation der elementaren photovoltaischen Prozesse. Mit dieser Methode untersuchten wir die Rolle von Strukturinhomogenitäten, wie beispielsweise Einschlüsse und Sackgassen, auf der Leistung der Vorrichtung, die wir entscheidend für die interne Quanteneffizienz der Photovoltaikanlage gefunden haben. Weiterhin haben wir uns auf die Rolle von Donor-Akzeptor Polymermischung konzentriet, die wir durch den Wechsel von mesoskopischen auf atomarer Ebene der Systembeschreibung untersucht haben. An diesem Punkt haben wir gezeigt, das der Hauptteil der photoerzeugten Ladungen aus der Region weg von der bildenden Domänengrenzen kommt, was in Übereinstimmung mit neuesten experimentellen Daten steht. Schließlich haben wir einen neuen Ansatz vorgeschlagen, um die photovoltaische Leistung von Polymer-Bulk-Heterojunction-Geräte zu verbessern, den auf zufälligen Modifikationen eines Polymersegment, die die chemischen Verbindungen zwischen den elektronenabgebenden und elektronenanziehenden Blöcken des Diblock-Copolymers Molekülen umfasst, basiert ist. Zudem zeigten wir, dass durch die Einführung des Mittelblock in der Diblock-Copolymer-Strukture, die Erhöhung der internen Quanteneffizienz bis zu 40 Prozent zu erreichen ist.
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