Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

Diese Studie zeigt, dass die skalierbare RAINBOW-Spektralteilung-Architektur, die ternär gemischte Subzellen zur Optimierung der Bandlücken und Minimierung von Herstellungsherausforderungen nutzt, den Wirkungsgrad organischer Photovoltaik von 12,9 % bei Einfachzellen auf 17,3 % bei Dreifachzellen steigern kann und damit ihre Eignung für hocheffiziente, herstellbare Solarzellen bestätigt.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, Regenwasser mit einem einzigen, breiten Eimer aufzufangen. Wenn der Regen leicht ist, fangen Sie wenig auf. Bei einem starken Platzregen läuft Ihr Eimer über, und Sie verlieren das überschüssige Wasser. Genau so funktionieren herkömmliche Solarzellen heute: Sie bestehen aus einem Material, das nur Photonen (Lichtteilchen) einer bestimmten Energie „einfangen" kann. Ist das Licht zu schwach, ignoriert das Material es. Ist das Licht zu stark, fängt das Material es zwar auf, verschwendet aber die zusätzliche Energie als Wärme.

Die Forscher in dieser Arbeit versuchen, ein besseres „Regenauffangsystem" mit einem cleveren neuen Design namens RAINBOW zu bauen.

Das Problem mit dem alten Weg (Stapelung)

Normalerweise stapeln Wissenschaftler, um mehr Lichtarten einzufangen, verschiedene Solarzellen übereinander, wie ein Sandwich. Die oberste Schicht fängt helles, energiereiches Licht auf und lässt den Rest durch zur unteren Schicht. Doch dies ist schwierig zu bauen. Es ist wie der Versuch, empfindliche Pfannkuchen perfekt zu stapeln; wenn sie nicht genau richtig ausgerichtet sind, kollabiert das Ganze oder funktioniert nicht mehr. Außerdem müssen die Schichten in ihrer Stromproduktion perfekt übereinstimmen, was für Hersteller ein Kopfschmerz ist.

Die neue Idee: Der RAINBOW-Ansatz

Anstatt die Zellen vertikal zu stapeln, haben die Forscher sie nebeneinander angeordnet, wie Fliesen auf einem Boden. Sie verwenden einen speziellen optischen Spiegel (das „optische Element"), um das Sonnenlicht wie ein Prisma zu spalten und verschiedene Lichtfarben zu verschiedenen Fliesen zu senden.

• Blaues Licht geht zur „Blauen Fliese".
• Grünes Licht geht zur „Grünen Fliese".
• Rotes Licht geht zur „Roten Fliese".

Da sie nebeneinander liegen, müssen sie nicht perfekt gestapelt sein und müssen ihre elektrische Leistung nicht exakt anpassen. Dies macht sie viel einfacher mit großen, skalierbaren Werkzeugen wie einem Rakel herzustellen (ein Prozess namens Rakelbeschichtung).

Das fehlende Puzzleteil: Die „Ternäre" Mischung

Das Team stellte fest, dass die „Blaue" und die „Grüne" Fliese gut funktionierten, die „Rote Fliese" (die das energieärmste, ferninfrarote Licht einfängt) jedoch Schwierigkeiten hatte. Es war wie ein Eimer mit einem Loch im Boden; er konnte das Wasser auffangen, verlor aber viel Energie.

Um dies zu beheben, verwendeten sie nicht nur ein Material für die Rote Fliese. Sie schufen eine Ternäre Mischung.
Stellen Sie sich eine binäre Mischung als einen Smoothie vor, der nur aus zwei Früchten besteht (Donor und Akzeptor). Eine ternäre Mischung fügt eine dritte Frucht hinzu.

• Sie nahmen ihr problematisches rotes Material und mischten eine dritte Zutat hinzu.
• Diese dritte Zutat wirkte wie eine „Brücke" oder ein „Helfer". Sie half, den Stromfluss zu verbessern und die Energieverluste zu stoppen.
• Konkret mischten sie ein Material namens COTIC-4F (der Hauptfänger) mit BTP-eC9 (dem Helfer).

Diese neue Dreikomponenten-Mischung fing nicht nur die gleiche Menge Licht auf; sie fing es effizienter auf und wandelte mehr dieses Licht in Elektrizität um.

Die Ergebnisse: Ein besserer Fang

Das Team testete diese Idee auf zwei Arten:

1. Computersimulationen: Sie modellierten, was passieren würde, wenn sie diese Fliesen kombinieren. Sie fanden heraus, dass ein 2-Fach-Übergangs-System (Blau + Rot) einen Wirkungsgrad von 16,4 % erreichen könnte und ein 3-Fach-Übergangs-System (Blau + Grün + Rot) 17,7 % erreichen könnte.
2. Realwelt-Tests: Sie bauten diese nebeneinander angeordneten Geräte tatsächlich mit ihrer Rakelbeschichtungsmethode. Die Ergebnisse lagen den Simulationen sehr nahe:
   • 2-Fach-Übergangs-Gerät: 15,9 % Wirkungsgrad.
   • 3-Fach-Übergangs-Gerät: 17,3 % Wirkungsgrad.

Dies ist ein großer Sprung von ihren Einzelmaterial-Geräten, die nur etwa 12,9 % erreichten.

Der Ausblick in die Zukunft

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass dieses „RAINBOW"-Design ein vielversprechender, skalierbarer Weg ist, um organische Solarzellen effizienter zu machen. Sie weisen jedoch auf eine letzte Hürde hin: Um den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern, müssen sie Materialien finden, die wirklich gut darin sind, das sehr energiereiche (breitbandige) blaue Licht einzufangen. Derzeit sind diese Materialien noch nicht ganz so gut wie die roten und grünen.

Kurz gesagt: Indem sie Solarzellen nebeneinander anordneten statt sie zu stapeln und indem sie eine „dritte Zutat" in das rote Licht einfangende Material mischten, um dessen Verluste zu beheben, schuf das Team ein Solarzellendesign, das einfacher herzustellen ist und deutlich mehr Energie von der Sonne einfängt.

Technische Zusammenfassung

Technisches Fazit: Untersuchung des Potenzials ternärer Mischungen für Zwei- und Dreifach-Rainbow-Solarzellen

Problemstellung
Organische Photovoltaik (OPV) hat kürzlich in Ein-Fach-Zellen einen Wirkungsgrad von über 20 % überschritten, bleibt jedoch grundlegend durch die spektrale Fehlanpassung zwischen dem einfallenden Sonnenspektrum und der Bandlücke des photoaktiven Materials begrenzt. Während Mehrfach-Architekturen (Tandems) einen Weg zu höheren Wirkungsgraden bieten, indem sie thermische und Absorptionsverluste reduzieren, stehen vertikal gestapelte Konfigurationen vor erheblichen Herstellungshürden, einschließlich aktueller Matching-Beschränkungen, komplexer Verbindungsschichten und Skalierbarkeitsproblemen. Die „RAINBOW"-Architektur schlägt eine Lösung vor, indem sie Teilzellen nebeneinander anordnet und extern verbindet, wobei optische Elemente genutzt werden, um das einfallende Licht lateral aufzuspalten. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von RAINBOW-Geräten derzeit durch die Verfügbarkeit hocheffizienter Materialien über das gesamte Bandlückenspektrum hinweg eingeschränkt, insbesondere für Bereiche mit schmaler Bandlücke (NBG, <1,3 eV) und weiter Bandlücke (WBG, >1,7 eV). Darüber hinaus leiden bestehende NBG-Systeme, wie PTB7-Th:COTIC-4F, häufig unter einer niedrigen Leerlaufspannung ($V_{oc}$) und einer ineffizienten Ladungsextraktion, was ihre Nutzbarkeit als rote Teilzellen begrenzt.

Methodik
Die Studie verfolgt einen mehrdimensionalen Ansatz, der Materialscreening, Optimierung ternärer Mischungen, Gerätesimulation und skalierbare Fertigung kombiniert:

1. Materialscreening und Optimierung ternärer Mischungen: Die Autoren bewerteten sieben binäre Donor-Akzeptor-Systeme mit Bandlücken von 1,98 eV bis 1,16 eV. Unter Berücksichtigung der Grenzen des binären NBG-Systems PTB7-Th:COTIC-4F untersuchten sie ternäre Mischungen durch die Einbringung einer dritten Komponente (entweder ein zweiter Akzeptor oder ein Fullerenderivat), um $V_{oc}$ zu justieren und den Ladungstransport zu verbessern. Fünf spezifische ternäre Systeme wurden getestet, wobei der Fokus auf dem System PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 lag.
2. Charakterisierung: Die Geräte wurden mittels hochdurchsatzfähiger Messerbeschichtung mit Dickengradienten hergestellt, um optimale Schichtdicken der aktiven Schicht zu bestimmen. Die umfassende Charakterisierung umfasste Strom-Spannungs-Messungen (JV) unter AM1.5G, die Profilierung der externen Quanteneffizienz (EQE) sowie synchrotronbasierte Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS)-Messungen zur Analyse der Mikrostruktur und Kristallinität.
3. Simulation: Semi-experimentelle Simulationen wurden durchgeführt, um Zwei-Fach- und Drei-Fach-RAINBOW-Konfigurationen zu modellieren. Diese Modelle nutzten experimentelle JV-Parameter und EQE-Kurven, um Teilströme und Wirkungsgrade für verschiedene spektrale Aufspaltungswellenlängen ($\lambda_{div}$) zu berechnen.
4. Fertigung von Funktionsnachweisen: Monolithische RAINBOW-Geräte wurden mittels skalierbarer meniskusgeführter Messerbeschichtung hergestellt, wobei bis zu sechs verschiedene aktive Materialien nebeneinander auf einem einzigen Substrat abgeschieden wurden. Diese Geräte wurden unter maßgeschneiderten Teilspektren charakterisiert, die von einem programmierbaren LED-Solarsimulator erzeugt wurden, um die Betriebsbedingungen von RAINBOW nachzuahmen.
5. Theoretische Analyse: Ein modifiziertes detailliertes Gleichgewichtslimit wurde berechnet, um intrinsische nicht-strahlende Verluste in organischen Halbleitern, insbesondere die Reorganisationsenergie, zu berücksichtigen, um die theoretische Obergrenze für diese Geometrie abzuschätzen.

Hauptbeiträge und Ergebnisse

• Ternäre Mischungen für NBG-Teilzellen: Die Studie zeigt, dass ternäre Mischungen eine effektive Strategie sind, um die Grenzen binärer NBG-Systeme zu überwinden. Insbesondere verbesserte die ternäre Mischung PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 (optimiert im Verhältnis 1:0,6:0,9) die Leistung der roten Teilzelle erheblich. Während das binäre PTB7-Th:COTIC-4F nur einen Wirkungsgrad von 6,62 % mit einer niedrigen $V_{oc}$ von 0,54 V erreichte, gelang der ternären Mischung ein Wirkungsgrad von 8,71 % mit einer erhöhten $V_{oc}$ von 0,60 V. Entscheidend behielt die ternäre Mischung die erweiterte NIR-Absorption (bis 1100 nm) bei und verbesserte gleichzeitig die Effizienz der Ladungsextraktion, was durch höhere EQE-Werte im gemeinsamen Absorptionsbereich belegt wird. Die GIWAXS-Analyse ergab, dass die Mikrostruktur zwar von COTIC-4F dominiert wurde, die Energiebandausrichtung im ternären System jedoch einen kaskadierenden Elektronentransfer von COTIC-4F zu BTP-eC9 ermöglichte, was Rekombinationsverluste reduzierte.
• Simulation von Mehrfach-Konfigurationen: Simulationen identifizierten, dass die höchsten theoretischen Wirkungsgrade für RAINBOW-Geräte auf der Einbeziehung dieser optimierten ternären Mischungen beruhen.
  • Zwei-Fach: Die optimale Konfiguration (PTQ10:FCC-Cl als blaue Zelle und die ternäre Mischung PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 als rote Zelle) erreichte einen simulierten Power Conversion Efficiency (PCE) von 16,4 %, eine signifikante Steigerung gegenüber der besten Ein-Fach-Zelle (12,9 %) und der binären RAINBOW (15,2 %).
  • Drei-Fach: Das Hinzufügen einer grünen Teilzelle (PM6:DTY6) zum optimalen Zwei-Fach-Stapel ergab einen simulierten PCE von 17,7 %.
• Experimentelle Validierung: Funktionsnachweis-RAINBOW-Geräte, die mittels Messerbeschichtung hergestellt wurden, validierten die Simulationen.
  • Das Zwei-Fach-Gerät erreichte einen experimentellen PCE von 15,9 % (im Vergleich zu 15,1 % für das binäre Äquivalent).
  • Das Drei-Fach-Gerät erreichte einen experimentellen PCE von 17,3 % (im Vergleich zu 17,0 % für das binäre Äquivalent).
  • Diese Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit der nebeneinanderliegenden Abscheidungsmethode und die Wirksamkeit ternärer Mischungen zur Steigerung der Mehrfach-Leistung.
• Theoretische Grenzen: Die Autoren schlagen ein revidiertes detailliertes Gleichgewichtslimit für OPV vor, das nicht-strahlende Verluste berücksichtigt. Dieses Modell legt nahe, dass der maximale theoretische Wirkungsgrad für Ein-Fach-OPV bei einer Bandlücke von 1,5 eV bei etwa 27 % liegt (niedriger als das Standard-Shockley-Queisser-Limit von 33 %). Für Mehrfach-RAINBOW-Geräte zeigt das Modell, dass Wirkungsgrade weiter gesteigert werden können, sofern hocheffiziente WBG-Materialien (>2 eV) mit verbessertem Strom und Füllfaktor entwickelt werden.

Bedeutung
Die Arbeit etabliert die RAINBOW-Architektur als eine viable, skalierbare Alternative zu vertikal gestapelten Tandems für hocheffiziente OPV. Durch den Nachweis, dass ternäre Mischungen die $V_{oc}$ und Ladungstransporteigenschaften von Materialien mit schmaler Bandlücke effektiv justieren können, ohne die spektrale Abdeckung zu beeinträchtigen, bietet die Studie einen konkreten Weg, um aktuelle Engpässe im Design von Mehrfach-OPV zu überwinden. Die erfolgreiche Fertigung von Drei-Fach-Geräten mit Wirkungsgraden von nahezu 17,3 % mittels skalierbarer Messerbeschichtung unterstreicht das Potenzial für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus betont die Arbeit, dass zukünftige Fortschritte in dieser Geometrie von der Entwicklung leistungsfähiger Materialien mit weiter Bandlücke abhängen, was den Fokus der Materialforschung auf den Bereich >2 eV verlagert, um das Potenzial des RAINBOW-Konzepts voll auszuschöpfen.