Light Trapping and Alternative Electrodes for Organic Photovoltaic Devices

Organic materials, such as conjugated polymers, have emerged as a promising alternative for the production of inexpensive and flexible photovoltaic cells. As conjugated polymers are soluble, liquid based printing techniques enable production on large scale to a price much lower than that for inorganic based solar cells. Present day state of the art conjugated polymer photovoltaic cells are comprised by blends of a semiconducting polymer and a soluble derivative of fullerene molecules. Such bulk heterojunction solar cells now show power conversion efficiencies of up to 4-6%. The quantum efficiency of thin film organic solar cells is however still limited by several processes, of which the most prominent limitations are the comparatively low mobility and the high level of charge recombination. Hence organic cells do not yet perform as well as their more expensive inorganic counterparts. In order to overcome this present drawback of conjugated polymer photovoltaics, efforts are continuously devoted to developing materials or devices with increased absorption or with better charge carrier transporting properties. The latter can be facilitated by increasing the mobility of the pure material or by introducing beneficial morphology to prevent carrier recombination. Minimizing the active layer film thickness is an alternative route to collect more of the generated free charge carriers. However, a minimum film thickness is always required for sufficient photon absorption. A further limitation for low cost large scale production has been the dependence on expensive transparent electrodes such as indium tin oxide. The development of cheaper electrodes compatible with fast processing is therefore of high importance. The primary aim of this work has been to increase the absorption in solar cells made from thin films of organic materials. Device construction, deploying new geometries, and evaluation of different methods to provide for light trapping and photon recycling have been strived for. Different routes to construct and incorporate light trapping structures that enable higher photon absorption in a thinner film are presented. By recycling the reflected photons and enhancing the optical path length within a thinner cell, the absorption rate, as well as the collection of more charge carriers, is provided for. Attempts have been performed by utilizing a range of different structures with feature sizes ranging from nanometers up to centimeters. Surface plasmons, Lambertian scatterers, micro lenses, tandem cells as well as larger folded cell structures have been evaluated. Naturally, some of these methods have turned out to be more successful than others. From this work it can nevertheless be concluded that proper light trapping, in thin films of organic materials for photovoltaic energy conversion, is a technique capable of improving the cell performance. In addition to the study of light trapping, two new alternative electrodes for polymer photovoltaic devices are suggested and evaluated. Populärvetenskaplig sammanfattning Solceller har potential att tillgodose delar av människans energibehov, utan utsläpp av växthusgaser, genom att nyttja direkt konvertering av solljus till elektricitet. Sedan upptäckten av den fotovoltaiska effekten hos kisel 1953 har detta material varit det dominerande vid framställning av solceller, men på grund av den allt för dyra tillverkningsprocessen har kiselceller ännu så länge inte haft sitt genombrott för storskalig energiomvandling. Flera andra alternativa och förnybara energikällor kan i nuläget inte heller leverera energi till ett pris som ekonomiskt går att jämföra med fossila bränslen. Det är därför nödvändigt att utveckla system vars exploatering av förnybar energi kan tävla ekonomiskt med fossila bränslen. Detta kommer förmodligen också att bli lättare inom en snar framtid, då priset på fossila bränslen förväntas stiga allteftersom tillgångarna sinar. Solceller bestående av organiska material som konjugerade polymerer, byggs genom att deponera ett 50-200 nanometer tunt lager aktivt material mellan två elektroder, av vilka åtminstone en är transparent för att släppa in solljus. De har avsevärt större möjlighet att produceras billigt och i stora volymer jämfört med kiselsolceller. Då dessa material är lösliga i organiska lösningsmedel är det möjligt att med vanlig tryckteknik åstadkomma storskalig produktion. En nackdel med organiska solceller är dock att de ännu så länge visar en förhållandevis låg verkningsgrad, som bäst ungefär en tredjedel till en fjärdedel av vad t. ex. kisel kan leverera. Anledningen till detta är till viss del känd och tillräknas till stor del organiska materials oordnade natur. Elektronerna har helt enkelt svårare att transportera sig genom materialen i en organisk solcell. Utvecklingen av nya material med bättre förmåga att transportera laddningar är följaktligen en väg att öka effektiviteten. En annan strategi består i att istället minska tjockleken på cellen och således minska transportsträckan för elektronerna. Dock kan man inte göra filmen för tunn, då den inte längre absorberar lika mycket ljus och således inte kan generera lika mycket ström. En större del av ljuset reflekteras helt enkelt bort om filmen är för tunn. Huvudmålet med detta arbete har därför varit att på olika sätt öka absorptionen i tunna organiska solceller. Konstruktion av solcellskomponenter med alternativa geometrier som kan lösa detta har eftersträvats, och utveckling av olika metoder för att tillgodose hög ljusinfångning i tunnare filmer har analyserats. Ett antal olika tillvägagångssätt för att återvinna reflekterat ljus och för att öka ljusets vägsträcka i den tunnare solcellen har utvärderats. Ljusfångade strukturer i storlekar av både nanometer, mikrometer och centimeter har tillverkats och analyserats både experimentellt och via simuleringar. Ett exempel har bestått av att använda nanomönster i metallelektroden för att tvinga ljuset att färdas mer parallellt med det ljusabsorberande lagret i solcellen, i stället för vinkelrät mot det. På så sätt ökas sannolikheten att ljuset absorberas. Ett annat sätt har varit att utnyttja en ljusfångare bestående av mikrolinser och en perforerad metallspegel som placerats framför solcellerna. Denna ljusfångare är genomskinlig i en riktning och reflekterande i den andra, vilket gör att ljus som annars skulle ha reflekterats bort från solcellen nu kan återvinnas tack vare metallspegeln. Ytterligare en konstruktion, bestående av en veckad solcell med olika ljusabsorberande material på var sin sida, har visat sig vara en mycket effektiv ljusfälla. Ljus som träffar ena sidan på den här Vformade solcellen, och som inte absorberas och omvandlas till elström, reflekteras till den andra sidan och får där en ny chans att göra nytta. Utöver sådana ljusinfångningsmetoder har även metoder att framställa alternativa och billigare elektroder för polymersolceller analyserats. Bl. a. har ett lättillverkat mikrogaller av tunn metall utvecklats för att byta ut det dyra genomskinliga elektrodmaterialet som annars brukar användas. Denna gallerstruktur släpper igenom det mesta av ljuset, samtidigt som den fungerar väl som en elektrod. Avslutningsvis visar resultaten att lämpliga metoder för att fånga ljus i organiska tunnfilmssolceller är tillgängliga och förmodligen också kompatibla med produktion i stor skala.