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Electronic properties of titania (and AZO) and its interface to organic acceptor materials

Reckers, Philip (2019):
Electronic properties of titania (and AZO) and its interface to organic acceptor materials.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Electronic properties of titania (and AZO) and its interface to organic acceptor materials
Language: English
Abstract:

The focus of this work is on the investigation of the electronic structure at interfaces of inverted organic solar cells and energetic states in the band gap of the anatase (101) surface. Inverted organic solar cells are a promising alternative to conventional inorganic solar cells, regarding the potentially low production costs and its variety in possible applications. Inverted organic solar cells sometimes exhibit S-shaped I-V characteristics instead of diode-like I-V characteristics, which results in a decrease of the efficiency of the solar cells. The electronic alignment at the interface between the different materials within the solar cell influences strongly the functionality and efficiency of the solarcell. The contact formation between the materials depends on the materials itself, but also on the specific surface, e.g. adsorbates covering it. This work compares I-V characteristics of different solar cell device stacks with the respective energy diagrams. The investigation of the interface is mainly done by photoelectron spectroscopy, which is a powerful method to determine the electronic alignment at the interface between different materials. The shape of the I-V characteristics of inverted organic solar cells oftendepends on the used metal oxide (which acts as electron transporting layer) within the solar cell device stack. Typical electron transport layers are TiOx and aluminum doped zinc oxide (AZO). Inverted organic solar cells with PC61BM:P3HT as absorber material and AZO as electron transport layer show diode-like I-V characteristics, whereas solar cells with TiOx as electron transport layer show S-shaped I-V characteristics. Using a bilayer consisting of TiOx:AZO or AZO:TiOx as electron transport layer, only solar cells where the TiOx forms the interface to PC 61 BM show S-shaped I-V characteristics. In model experiments, C60 replaces PC61BM and the interface of C60 to TiOx and AZO is determined by means of photoelectron spectroscopy. The interface energy diagram of the TiOx/C60 interface displays a barrier for electron extraction, whereas the AZO/C60 interface does not. Interface experiments of C 60 with in situ (adsorbate free) and ex situ(adsorbate contaminated) cleaved anatase single crystals show the crucial influence of adsorbates on the formation of the electronic interface between the metal oxide and the organic absorber. Additional experiments show that the S-shaped I-V characteristics with TiOx as electron transport layer transform into diode-like characteristics upon illumination with UV light. In situ UV illumination of the TiOx/C 60 interface with UV light induces changes of the band alignment, which result in a decrease of the electron extraction barrier at the TiOx/C60 interface. Furthermore the reduction of the barrier is most probably caused by UV induced desorption of oxygen from the TiOx surface. The second part focuses on fundamental investigations of the anatase (101) surface. For this purpose, anatase single crystals are cleaved along the (101) surface plane by pliers and a clean (101) surface, without any further preparation methods such as sputtering and annealing, is obtained. Analyzing and comparing differently prepared titania samples by normal and resonant photoemission reveals the existence of shallow band gap states at the crystalline anatase surface. The origin of those shallow gap states is assigned to step edges of monoatomic height at the anatase (101) surface and respectively to the intersections of (101) surface planes of nanocrystalline anatase. In water adsorption experiments, the adsorption kinetics of water onto the anatase (101) surface are investigated in more detail.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung der elektronischen Struktur von Grenzflächen in organischen invertierten Solarzellen und die Untersuchung von elektronischen Zuständen in der Bandlücke an der Oberfläche der Anatas (101) Spaltfläche. Invertierte organische Solarzellen sind eine vielversprechende Alternative zu konventionellen anorganischen Solarzellen in Bezug auf ihre potenziell niedrigen Kosten und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Im Falle von invertierten organischen Solarzellen tritt es auf, das I-U Kennlinien anstatt einer Dioden-ähnlichen Form eine S-Form haben, was eine starke Reduktion der Effizienz bedeutet. Für die Funktionalität von Solarzellen im Allgemeinen spielt die elektronische Struktur an den Grenzflächen zwischen den Materialien eine entscheidende Rolle, da sie die Effizienz der Solarzelle maßgeblich beeinflusst. Die Kontaktausbildung ist vor allem durch das Material an sich, sowie auch durch dessen spezifische Oberfläche (z.B. Adsorbate) bestimmt. In dieser Arbeit erfolgt eine Korrelation von I-U Kennlinien verschiedener Solarzellenaufbauten mit Energiediagrammen verschiedener Grenzflächen. Die Untersuchung der entsprechenden Grenzflächen erfolgt hauptsächlich mittels Photoelektronenspektroskopie, welche es ermöglicht die elektronische Bandanpassung an der Grenzfläche zwischen Materialien zu bestimmen. Bei invertierten organischen Solarzellen wird insbesondere eine Abhängigkeit der Form der I-U Kennlinie (und damit auch der Effizienz) von dem verwendeten Metalloxid, welches als Elektronentransportschicht dient, beobachtet. Typische Elektronentransportschichten sind Titandioxid (TiOx) und Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO). Invertierte organische Solarzellen mit PC61BM:P3HT als Absorbermaterial und AZO als Elektronentransportschicht zeigen Dioden-ähnliche I-U Kennlinie Charakteristika, wohingegen Solarzellen mit TiOx als Elektronentransportschicht I-U Kennlinien mit einer S-Form aufzeigen. Wird eine Doppelschicht bestehend aus TiOx:AZO oder AZO:TiOx als Elektronentransportschicht verwendet, zeigen nur Solarzellen, welche die TiOx/PC61BM Grenzfläche aufweisen eine S-Form in ihrer I-U Charakteristik. In Modellexperimenten wird PC61BM durch C60 ersetzt und die Grenzfläche von TiOx und AZO zu C60 mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die elektronische Bandanpassung an der TiOx/C60 Grenzfläche zeigt, dass es zu einer Barriere für Elektronenextraktion kommt, während diese Barriere an der AZO/C 60 Grenzfläche nicht auftritt. Grenzflächenexperimente der C60 Grenzfläche mit in situ (Adsorbat freien) und ex situ (Adsorbat kontaminierten) gespaltenen Anatas Einkristallen weisen einen Einfluss von Adsorbaten auf die Ausbildung der Grenzfläche zwischen Metalloxid und organischem Absorber auf. Weitere Experimente an invertierten organischen Solarzellen mit TiOx als Elektronentransportschicht zeigen, dass UV Licht zum Verschwinden der S-Form der I-U Kennlinie führt und Dioden-ähnliche I-U Kennlinien bewirkt. In situ Beleuchtung der TiOx Grenzfläche mit UV Licht bewirkt eine Änderung der Bandanpassung, welche eine Reduktion der Elektronenextraktionsbarriere an der TiOx/C60 Grenzfläche nach sich zieht. Weiterhin führt UV induzierte Desorption von Sauerstoff an der TiOx Oberfläche sehr wahrscheinlich zu der Reduktion der Barriere für Elektronen. Im Weiteren werden grundlegende Untersuchungen an der Anatas (101) Oberfläche durchgeführt. Hierfür werden Anatas Einkristalle entlang der (101) Oberfläche in situ mittels einer Zange gespalten, sodass saubere (101) Oberflächen ohne weitere Präperationsmethoden wie z.B. Sputtern und Annealen hergestellt werden. Analyse und Vergleich verschieden präparierter Titandioxid Proben mit normaler und resonanter Photoelektronenspektroskopie zeigen flach liegende Bandlückenzustände an der Oberfläche von kristallinem Anatas TiO2. Die Herkunft dieser Bandlückenzustände wird durch das Vorhandensein von atomar hohen Stufen auf der Spaltfläche bzw. im Falle von nanokristallinem Anatas durch die Schnittpunkte der (101) Oberflächen erklärt. Zuletzt wird anhand von Wasseradsorptionsexperimenten, die Adsorbtionkinetik von Wasser auf der Anatas (101) Oberfläche genauer untersucht.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 12 Jun 2019 10:20
Last Modified: 12 Jun 2019 10:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85599
Referees: Jaegermann, Professor Wolfram and Riedl, Professor Thomas
Refereed: 25 April 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8559
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