Device physics of polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells

Aan de toenemende energiebehoefte kan worden voldaan door energie op te wekken uit zonlicht; organische zonnecellen bieden de mogelijkheid om dit op een goedkope en duurzame voor elkaar te krijgen.De efficiëntie van organische zonnecellen die bestaan uit een mengsel van een geconjugeerd polymeer (donor) en een fullereen derivaat (acceptor) is zeer gevoelig voor de morfologie van de actieve laag. In het eerste deel van dit proefschrift wordt een relatie tussen de morfologie en de efficiëntie opgesteld. De elektronische eigenschappen en de morfologie van verschillende organische zonnecellen worden experimenteel bepaald; de resultaten dienen vervolgens als invoer voor een model dat de uitgangsstroom van de zonnecel bepaald.Vervolgens laat dit werk zien hoe de verhouding tussen recombinatie- en extractiesnelheden van ladingsdragers verantwoordelijk is voor de grootte van de vulfactor van een organische zonnecel. De vulfactor is een van de bepalende parameters voor de efficiëntie van zonnecellen. Dit proefschrift laat zien waarom de vulfactor van organische zonnecellen zo gevoelig is voor veranderingen van de actieve laagdikte, licht intensiteit en materiaaleigenschappen.Tenslotte wordt de stabiliteit van polymeer:fullereen mengsels behandeld. Waarbij vooral de UV-geïnduceerde verslechtering van PTB7:[70]PCBM mengsels in een inerte omgeving is bestudeerd. Het wordt aangetoond dat het elektronentransport vermindert onder invloed van UV-licht en dat deze verslechtering alleen plaatsvind wanneer beide materialen worden blootgesteld aan UV-licht.The increasing need for energy can be satisfied by harvesting energy directly from sunlight; organic photovoltaics (OPVs) offer the possibility to do so in a cheap and sustainable way. This thesis deals with the physics of organic solar cells, providing insight into the mechanisms that limits the performance and the stability of the devices. The efficiency of organic solar cells based on the blend of a conjugated polymer (donor) and a fullerene derivative (acceptor) is very sensitive to the morphology of the active layer. The first part of the thesis aims at establishing a quantitative relation between morphology and efficiency. The electronic properties and the morphology of several organic solar cells are experimentally characterized; the results are then used as input parameters for a model that calculates the current extracted from the solar cell. Next, it is shown how the ratio of recombination and extraction rates of charge carriers determines the fill factor (FF) of organic solar cell. FF is one of the parameters that characterize the efficiency of a solar cell. In this thesis is explained why the FF of organic solar cells changes so much with active layer thickness, light intensity and material properties.Finally, attention is given to the stability of polymer:fullerene blends. In particular, the UV-induced degradation of PTB7:[70]PCBM blends in inert atmosphere is studied. It is shown that upon UV exposure the transport of electrons is deteriorated, and that this degradation occurs only if both the materials are exposed to UV